양회장 블로그

계기 및 시험기(計器 및 試驗器)

1. 전기계기 일반

1) 동작 원리에 의한 분류

2) 정확도에 의한 분류

2. 배전반 계기 (Panel instrument)
배전반에 사용되는 전기계기에는 지시계, 기록계, 적산계 등이 있다.
지시계는 전압, 전류, 전력 등 시시각각 변화하는 전기 량을 지시하는 계기이며 눈금판의 지침 위치로서 전기량의 크기를 지시하는 Analog형 계기와 전기량을 수치로 직접 표시하는 Digital형 계기가 있다. 최근 배전반에 사용되는 전기계기 대부분에 Digital 형 계기가 사용되고 있다.
기록계는 시간이 경과하면서 이동하는 밴드상의 기록지에 진행 방향과 직각 방향에 전기량의 크기를 기록하며 전기량의 크기를 Analog 형태로 나타낸다. 원형의 회전 기록지에 기록하는 것과 일정 시간마다 문자와 숫자로 기록하는 것이 있다.
적산계는 주로 전기량의 시간적 누적치를 지시하거나 기록하는 계기로서 전력의 적산계를 특히 전력량계라고 한다.
전기계기는 또 직동식 계기와 그외의 계기로 분류할 수가 있는데 직동식 계기는 측정대상으로부터 계기를 동작 시키는 에너지를 얻는 것으로 과거에는 직동식 계기가 대 부분 이었다. 그러나 직동식 계기는 측정대상에 계기를 접속하기 때문에 참값을 측정할 수가 없게 되어 보정이 필요하다.
근래에는 전자기술 및 부품의 발달에 따라 계기를 구동 하는 에너지를 측정 대상과는 별도의 보조 전원에서 얻는 계기가 널리 사용되고 있다.
계기를 동작 원리에서 보면 측정량에 직접 응동하는 계기와 측정량을 그에 비례한 직류전압, 전류 또는 펄스로 변환한 후 지시계에 입력하여 지시하는 방식이 있다.
이와 같이 직류전압, 전류로서 변환하여 측정하는 계기를 Transducer 계기라고 한다.

• 배전반 지시계
1) 교류 전압계, 교류 전류계 (AC Voltmeter, Am meter) 실제로 사용되는 배전반 지시 계기 중 대부분은 교류 전류계와 전압계이다.
이 계기는 일반적으로 가동 철편형이 많이 사용되고 있다.
가동 철편형은 고정 코일내의 철편이 코일에 전류를 흘리면 자화되어 고정 자석과의 사이에 발생하는 반발력 또는 흡인력을 이용하는 것으로 가동 코일형에 비하여 오차가 크고 소비전력이 커서 교류 전용으로만 사용된다.
이 계기는 가동 부분에 직접 전류가 흐르지 않기 때문에 견고하지만 불평형 눈금이므로 전압계로 사용하는 경우에는 지장이 없으나 전류계로 사용하는 경우에는 변성 비가 적당치 않으면 읽기 어려운 결점이 있다.

가동 철편형 계기는 실효치를 지시하며 파형의 찌그러 짐이 크면 철편의 자기포화로 인한 파형 오차가 발생한다.
또한 코일의 자계는 가동 코일형 계기의 공극자계의 1/10 이하이므로 외부 자계의 영향을 받기 쉽다.
가동 철편형 계기의 최고 감도는 전류계에서 0∼20 ㎃ 전압계에서 0∼30 V 정도이다.
(A) 각형 계기 (B) 광각형 계기 (C) Pannel용 계기 2) 교류 전력계 상용 주파수의 유효 및 무효 전력계는 일반적으로 전류 력계형 계기가 사용되고 있다.

진동편형은 공진 주파수가 다른 다수의 진동편과 측정 주파수와의 기계적 공진을 이용하는 것으로 즉 진동판이 유극 전자석에 의해서 1 Hz에 한번씩 흡인하게 되며 흡인력에 의한 진동이 Spring에 전달되어서 측정할 주파수와 같은 고유 진동수를 가진 진동편만 공진(Resonance)을 하여 가장 크게 진동하고 기타의 진동편은 진동하지 않는다.
전력계는 단자의 극성, 상순을 바르게 접속하지 않으면 지시가 맞지 않으므로 주의해야 한다.
전력계는 역율에 관계없이 동일 방향으로 지시하지만 무효 전력계는 지시가 반대로 된다.
일반적으로 0을 중심으로 지상일 경우는 오른쪽, 진상일 경우는 왼쪽을 지시하게 되어 있다. 전력계도 조류가 바뀌는 경우는 0을 중심으로 좌우에 정, 부의 눈금(송전 또는 수전)을 가진 계기를 사용한다.
계기의 정격 입력은 단상용은 110V×5A＝550W (Var),
3상용은 3×115V×5A≒1 ㎾(kVar)인데 변성기 입력에 접속할 때의 눈금은 이 치에 변류비와 변압비를 곱한 것이 된다.
예를 들면 PT비 345,000/115V, CT비 4,000/5A인 경우 3상 전력계의 눈금은1×(345,000/115)×(4,000/5)＝2,400㎿ 이다.
3) 주파수계 주파수계는 진동편형과 지침형이 있다.
진동편형은 공진 주파수가 다른 다수의 진동편과 측정 주파수와의 기계적 공진을 이용하는 것으로 즉 진동판이 유극 전자석에 의해서 1 Hz에 한번씩 흡인하게 되며 흡인력에 의한 진동이 Spring에 전달되어서 측정할 주파수와 같은 고유 진동수를 가진 진동편만 공진(Resonance)을 하여 가장 크게 진동하고 기타의 진동편은 진동하지 않는다.
진동편형은 원리적으로는 찌그러진 파형이나 전압변동의 영향을 받지 않고 지시가 불연속적이다.
지침형은 일반 지시계기와 같은 형식으로 유도형, 가동 철편형, 전류력계형 및 Transducer식 계기가 있는데 눈금은 평등눈금이 보통이며 눈금범위는 55∼65 Hz이다.

4) 역률계 역률계는 전류력계 비율계형 계기 및 회전자계 가동철 편형 계기 등이 사용되었으나 이와 같은 계기는 구조가 복잡하므로 현재는 위상각, 직류 변환회로와 가동 Coil형 계기를 사용한 Transducer식 계기가 일반적으로 사용된다.
Transducer식 계기는 전압과 전류의 위상각을 측정하여 역률로 환산하는 것이 대부분인데 3상 불평형 회로나 4선식 회로의 경우 각상 위상차의 평균치를 측정하여 근사적으로 등가역률을 측정하는 회로가 사용되고 있다.
역률계는 전력계와 마찬가지로 단자의 극성, 상순에 주의하여 접속치 않으면 정확한 측정을 할 수 없다.
역률계의 눈금 촤측에 진상 우측에 지상역률을 나타낸 다. 눈금은 Lead 0∼1∼Lag 0 또는 Lead 0.5 ∼1∼Lag 0.5 가 대부분이며 정격은 115V, 5A이다.
역률계의 중앙눈금 1을 0으로 표시하면 무효율계 (Reactive factor meter)가 되며 또 cosφ의 φ를 직접 각도 로서 눈금을 정하면 상차계가 된다.

5) 동기 검정기(Synchroscope) 동기 검정기는 교류 발전기의 병렬 운전등에 사용되며 2계통의 전압의 위상차를 표시하는 일종의 위상계이다.

일반적으로 사용되고 있는 것은 회전자계 가동 철편형 계기인데 지침은 360 ° 회전할 수 있으며 발전기측의 전압 으로 회전 자계를 만들고 모선측의 전압으로 가동철편을 자화한다. 모선측과 발전기측의 주파수와 위상이 일치한때 눈금의 중앙에 지침이 정지한다.
발전기측의 주파수가 모선측보다 높은 경우는 시계방향 으로 지침이 회전하며 반대로 낮은 경우는 반시계 방향으로 회전한다.
주파수차가 2∼3Hz 이상으로 되면 가동부의 관성 때문에 지침은 어떤 위치에서 적게 진동한다. 주파수가 같으면 양 전압간의 위상차를 지시하는 위상계로서 동작한다.

• 기록계기(Recording meter, Recorder)
정해진 시각에 지시계기를 읽어 기록하는 방법은 전압, 전류등의 시간적 변화를 정확히 알 수 없는 결점이 있으 므로 기록계를 사용함으로써 어느 기간 중의 최고, 최저치나 사고시의 기록 등 각종 Data를 얻을 수 있다.

기록계의 구조, 동작원리는 대단히 많으나 기록의 형태 에서 보면 기록 Pen이 상시 기록지에 접하여 있어 실선으로 기록되는 실선 기록 방식과 1∼20 초 정도의 일정시간 간격으로 타점되는 타점 기록 방식이 있다.
기록 방식으로는 잉크와 보통 종이를 사용하는 것이 압도적으로 많으며 가열이나 방전에 의하여 변색되는 특수한 기록지를 사용한 열 감응식 기록이나 방전식 기록도 사용되고 있다.

• 전력량계(Watt hour meter)
1) 최대 수요 전력계(Demand meter)

수용 전력은 일정 시간내 즉 수요시한(15 분, 30 분 또는 60 분)내에 있어서의 전력의 평균치이며 최대 수요전 력은 측정 기간(예를 들면 1 개월)중의 수용 전력의 최대 치이다. 따라서 수요전력을 측정하기 위해서는 적당한 시한장치에 의하여 수요시한을 주고 그 사이의 전력을 측정 하면 된다.
최대 수요 전력계는 전력량계와 같은 소자를 이용하며그 회전자에 취부한 밀대에 의하여 수요지침을 밀도록 되어 있으며 그 밀대가 시한장치에 의하여 영점에 복귀한 후에도 수요지침은 그대로 수요전력을 지시하도록 되어 있다.
이와 같은 최대 수요 전력계와는 달리 전력량계와 동일한 소자에 Pulse 발생장치를 취부하여 두고 Pulse에 의하여 별도로 설치한 최대 수요 전력 표시장치를 동작시키는 것도 있다. 또한 전력량과 최대 수요 전력을 병용 표시하는 것이 있는데 이를 최대 수요 전력 표시장치부 전력량 계라 부르고 있다.
2) 유효 전력량계(Watt hour meter) 전력량계는 전력의 시간 적산치(적분치)를 계량하는 계기로서 유도형 계기가 널리 사용되고 있다. 이것은 Aluminium 회전 원판 주위에 전압 Coil과 전류 Coil로 된 구동소자와 제동 작용을 하는 영구자석을 취부하여 전력에 비례한 회전속도를 얻고 있다.
단상 회로용은 1소자, 3상 3선식 회로용은 2소자, 3상 4 선식 회로용은 3소자로 구성되어 있으며 전력량의 치는 원반의 회전수가 적당한 감속 치차(Gear)기구를 통하여 계량반에 직접 표시한다.
표시 방식은 지침형과 Digital 형이 있는데 Digital 형은 읽기가 쉬운 반면 정확도가 떨어지므로 정밀기기에는 지침형이 사용된다.
이 외에 Pulse 발신장치를 붙여 회전원판이 1회전 할 때마다 일정수의 Pulse를 발생시켜 원거리에 있는 모니터에 표시하기도 하고 기록계에 일정 시간마다 누산치 및 계량 치를 기록하게 하기도 한다

근래에는 유도형 대신 전자회로를 사용하여 전력을 주파수로 변환하여 이것을 기계적인 Counter에 표시하는 전자식 전력량계도 많이 사용되고 있다.
3) 무효 전력량계(Var-hour meter) 무효 전력량계는 계통의 역률을 향상시켜 설비의 효율을
높이기 위하여 역률이 일정치 이하인 수용가에서 역률 미
달에 의한 전력요금을 추가로 부담시킬 목적으로 월간 평균역률을 측정코자 설치한다.
무효 전력량계는 전력량계 소자의 내부 위상각을 180 로 하여 진상(지상) 전류회로의 무효 전력량을 계량토록한 것이다.
무효 전력량계는 사용조건에 따라 역 회전력이 발생하 는데 역회전 저지장치를 부착하여 역방향으로 회전치 않도록 하고 있다.

3. 계기 오차 (Instrument error)
배전반 지시계기의 오차계급은 주로 1.5급(주파수계는 0.5급 또는 1.0급)인데 오차는 최대눈금에 대한 백분율로 규정되어 있으므로 주의를 요한다.
이를테면 최대눈금 100 A의 1.5급 전류계는 ±1.5 A의 오차가 허용되어 있는데 이것은 50 A눈금에 대해서는 ±3 %, 10 A눈금에 대해서는 ±15 %의 오차율이 된다.
따라서 되도록이면 최대눈금에 가까운 범위 내에서 사용하는 것이 정확하다.

백분율 오차는 참값에 대한 지시치의 오차로서 표시하 는데 참값은 실제로는 매우 정밀한 계기로서 측정한 값을 취한다.
○ 백분율 오차 (ε)＝M- T/ T×100 (%)
T : 참값, M : 측정치 백분율 보정은 계측에 의해서 얻어진 값을 교정하기 위해서 사용되며 다음과 같은 식으로 표시된다.
○ 백분율 보정(α)＝T - M/ M×100 (%)
따라서 T＝M(1＋a/100)로 되며 백분율 오차와의 사이
에는 (1＋ε/100)(1＋a/100)＝1의 관계가 있는데 근사적 으로는 α≒-ε으로 해도 좋다.

4. 잠동 (Creeping)
잠동은 전력량계의 원반이 무부하에서 회전하는 현상이다.
원반의 회전에 대한 축수의 마찰이나 계량장치의 저항 등이 원반의 회전속도가 늦어져도 거의 감소치 않으므로 경부하시 부(負)의 오차가 발생하는 원인이 되어 이를 보상하기 위해서 원반의 회전과 같은 방향의 이동자계를 만들어 마찰 Torque에 대항하는 구동 Torque를 줌으로써 경부하 특성을 개선토록 하고 있다.
그런데 이 조정장치가 지나치면 무부하시에도 원반이 회전하는데 이 현상이 잠동이다.
이 잠동 현상을 방지하기 위해서 원반의 한 곳에 조그만 구멍을 뚫어 무부하시 1회전 이상 원반이 회전하지 않도록 하고 있다.

5. 전류 측정기
일명 클램프 미터라고도 하며, 선로를 절단하지 않고 간편하게 선로전류를 측정할 수 있는 휴대용 교류/직류 측정계기로써 AC/DC 1,000 A까지 측정이 가능하다.

6. 검류계 (Galvanometer)
비교적 큰 전류의 크기를 측정할 때는 전류계를 사용하 지만, 매우 작은 전류를 측정할 때는 검류계를 이용한다.  검류계는 크게 직류용과 교류용으로 구분된다. 직류용 검류계는 강한 자석의 자극 사이에 가동코일을 달아, 코일에 작은 전류가 흐를 때 코일에 힘이 가해져 한쪽으로 치우치는 것으로 전류의 유무를 측정한다. 이 때문에 가동코일형 검류계라고도 한다. 비교적 간단하게 사용할 수 있는 지침형 검류계가 대표적이며, 가동코일에 장치한 평면거울에 반사되는 빛의 위치를 관측하여 전류를 검출하는 반조형(反 照型) 검류계도 있다. 지침형은 가동코일에 장치한 지침의 움직임으로 전류를 검출하는 것으로, 10-7[A]정도의 전류를 검출할 수 있다. 반조형은 감도가 좋아서 10-10[A] 정도의 전류도 검출할 수 있으므로, 정밀한 실험에 쓰인다.
교류용 검류계에는 수십 내지 수백 Hz용의 진동검류계가 있다. 이것 역시 가동코일형이며, 10-8[A] 정도의 미소한 교류전류를 검출할 수 있다. 주파수가 수백 Hz 이상인 교류의 미소전류는 검류계가 아닌 수화기(受話器)나 오실 로스코프 등으로 검출한다.

7. 절연 저항계 (Megger)
절연체의 절연저항은 인가되는 전압과, Capacitance 충전전류, 흡수전류, 전도전류의 합성전류로 결정된다.
절연저항계는 전기기기, 전선로 및 각종 전기설비의 절연저항을 측정하기 위한 계기이며 과거에는 인가전압을 수동으로 발전하여 사용하는 수동식이 사용 되었다. 최근 에는 Battery를 내장한 트랜지스터 발진기로 일정한 교번 전압을 발생시켜 이것을 승압, 정류하여 인가전원으로 사용하는 자동식인 트랜지스터식 Megger 또는 Battery operated insulation tester가 사용되고 있다.
절연저항 측정 후에는 절연체 내에 축적된 에너지를 방전시켜야 안전한 측정이 된다.

• Capacitance 충전전류 (Capacitance charging current)
절연체에 전압이 인가되면 절연체의 Capacitance에 충전되는 전류로 높은 전류 값에서 시작하여 갑자기 소멸 된다.

• 흡수전류(Absorption current)
흡수전류 또한 절연체에 전압이 인가되면 최초에 나타 나는 높은 전류로서 절연특성에 따라 비교적 늦은 비율로 감쇠되는 전류이다.

• 전도전류(Conduction current)
이 전류는 절연체 내부를 통해 흐르는 누설전류 이며 인가된 전압에 대해 항상 불변의 일정값을 유지하는데 시간이 지나면서 이 값이 증가되면 절연불량이다.

8. 접지저항 측정기 (Earth resistance tester)
접지저항, 액체저항 등의 측정용 계기로서 접지봉과 계기가 1조로 구성되어 있으며 Earth tester 또는 Resistance ohm meter라고도 한다.

9. 전력 측정장치 (Power tester)
교류전압계, 교류전류계 및 전력계가 1개의 Case에 내장된 계기로서 3Φ Power Line의 전력 및 각 상의 전압, 전류 측정이 가능하다

10. 회로 측정장치 (Circuit tester)
AC & DC 전압, DC 전류, 저항, Diode 등을 용이하게 측정하기 위한 기구로서 통칭 Tester, Multimeter, Universal tester라 한다. 지시부는 정격 전류의 작은 직류 전류계로 그곳에 각종의 보조회로를 붙이고 그것들을 다이얼로 변환하여 다양한 측정을 할 수 있도록 되어 있다.
직류 전류는 여러 종류의 배율기를 준비하여 측정 범위를 변화시킨다.
또 저항은 내장하고 있는 전지를 사용하여 전류를 흘리는 것으로 미리 조정 저항을 가감하여 저항이 0 인 눈금을 교정하여 두면 지시부에 저항 눈금을 붙일 수도 있다.
교류전압의 측정은 내부에 있는 Diode로 정류하고 나서 같은 지시부를 이용하는데 눈금은 직류의 경우와 조금씩 다르다. 단, 교류전류는 통상의 회로 시험기로는 측정할 수없다.
그리고 특수한 것으로는 정전용량의 측정이나 저주파 출력의 데시벨(dB, decibel) 지시를 할 수 있는 것도 있다. 회로시험기는 기기, 선로 등의 시험 혹은 수리 등을 위해서 특별한 정밀도가 요구되는 것을 제외하고 일상에 널리 사용되고 있다.

11. 전계식 불량애자 검출기
캐나다의 Hydro-Quebec과 Positron사에서 최초로 개발되었고 국내에서는 1996년 전력연구원에서 개발된바 있는 검출기이다. 현재 국내에서 흔히 사용하는 검출기로서 현수애자련 주변의 전계 분포를 측정하는 검출기이다.
검출기의 외형은 그림 21과 같이 U자 모양으로 되어 있으며 외부에 전계검출용 Probe, 애자의 크기에 맞도록 거리를 조절하는 Spacers, 검출기가 이동시에 직선운동을 하게 하는 Skid 등이 부착되었다. 또한 전계식 불량애자 검출기는 현수애자련의 전계를 정확하게 측정하여야 하므로 전계 측정용 Probe를 왕복 운동하여도 항상 애자련과 일정한 거리를 유지할 수 있는 구조로 되어 있다. 그림 22 는 검출기를 이용 애자련을 측정하는 모습을 보이고 있다.

• 검출원리 및 판정방법
전계식 불량애자 검출기는 현수 애자련에 분포된 축방 향의 전계의 크기를 측정, 분석하여 현수애자의 양부를 판정한다. 전계해석 도구를 이용하여 애자련의 등전위선을 해석하면 건전한 상태의 애자련의 등전위 곡선은 일정한 모양으로 전계가 분포되어 있으나 불량애자가 있을 경우 등전위 곡선이 건전애자와 비교시 왜곡되게 나타난다.
전계의 크기는 축방향분(E v )과 축과 직각방향분(E h )으로 분해하면 거의 일정한 크기로 나타나고 있다. 그러나 불량애자가 있는 개소의 전계방향은 애자련의 축과 거의 직각 방향으로 근접하게 되고, 전계의 크기를 분해하면 정상적인 현수애자만 있는 경우 보다 축방향의 전계(E v )는 매우 감소되지만 축과 직각방향의 전계(E h )는 거의 변화가 없음을 알 수가 있다.
따라서, 전계식 불량애자 검출기는 현수애자련에 분포된 축방향의 전계의 크기를 측정, 분석하여 현수애자의 양부를 판정하는 방법이다.

12. 휘스톤 브리지 (Wheatstone Bridge)
통용되는 명칭으로 L-3 Wheatstone Bridge, L-3 시험 기라고도 하며, 전원전압의 변동에 관계없이 0.1～10Ω 정도의 중저항을 정확하게 측정할 수 있는 계기이다.

13. 상회전 시험기
통용되는 명칭으로 상회전계, 검상기, 위상계 혹은 Phase Rotation Indicator라고도 한다. 원판의 회전방향에 의해 3상 전원의 상순을 확인할 수 있는 시험기로써 전압 용과 전류용이 있으며 원리상 3상 유도 전압식 전구와 Condenser식으로 구분한다.

14. 고장기록 장치
전력계통 상태 감시 장치의 종류는 Event Recorder, Fault Recorder, PQVF, 전력계통 감시 분석기 등이 있다.

• Event Recorder
전력계통에서 운전되고 있는 기기의 개폐 상태, 온도, 압력등 각종 변수들의 상태 변화를 시간대별로 기록하는 장치이다.

• Fault Recorder
전력계통에서 발생되는 비정상 상태, 과도상태 및 각종 고장 정보를 자동적으로 취득하는 장비이다.
주요 기능으로는 전압, 전류, 고장파형의 기록, 각종 보호계전기의 동작상황이 기록되며, 각각의 Analog/Event 채널에 대한 Trigger 설정이 가능하다.
전력계통에서 이상상태 발생시 고속 Micro Processor에서 감시 및 취득된 고장관련 정보가 Printer에서 자동적으로 출력되므로 사용자가 즉시 고장정보를 분석하여 사고 상황에 대처할 수 있도록 해주는 장치이다.

• PQVF (P : Power, Q : Reactive Power, V : Voltage, F : Frequency)
전력계통에 동요현상 발생시 유효전력, 무효전력, 전압, 주파수 등의 계통정수를 동적으로 측정할 수 있는 장치로 전력계통의 운전 상황을 진단할 수 있는 관측 장치라고할 수 있다.
특히 계통정수가 시간에 따라 변화하는 양 즉 △P/△T, △Q/△T, △V/△T, △F/△T등을 관측할 수 있어 계통의 정상 운전시의 동요 현상이나 계통 사고시의 동요 현상을 정확하게 관측할 수 있다.
기록시간 단위는 디지털의 경우 0.1 초 또는 1 Cycle 까지 가능하며 또 기록 시간은 대체로 계통 동요현상 발생 1∼2 초 전부터 10∼20 초간 계속 기록할 수 있다.
입력 및 출력과정은 디지탈의 경우 우선 전압, 전류 신호를 계측용 변성기로부터 받아 매 단위시간(0.1초 또는 1Cycle)마다 실효치 전압, 주파수, 유효전력, 무효전력의 연산을 한후 디지털 신호로 변환하여 반도체 메모리에 기록시킨다.
만약 기록의 기동조건이 만족되면 Memory에 기억된 내용을 자기 테이프에 전송 기록하며 자기 테이프의 기록은 다시 수치 및 파형으로 출력된다.

15. 전력품질 감시시스템
Microprocessor를 기반으로 한 3상 디지털 전력품질 감시/제어장치로써 전력설비의 PT, CT로부터 직접신호를 취득하며 전력사용 실태분석, 릴레이동작 제어, 파형 및고조파 분석 등의 전력품질 감시장치이다.
3상 전압/전류의 신호취득으로 전압, 전류, 유효전력, 무효전력, 피상전력, 주파수 역률 등을 실시간 정밀측정하고 임의의 설정기간 동안의 평균값, 최대값, 최소값 계측이 가능하다. 또한 고조파 분석을 위하여 3상 입력전압, 전류의 파형을 고속 샘플링하여 저장하며 분석결과를 그래프와 테이블로 표시하여 사용자가 고조파에 대한 정보를 알기 쉽게 나타낸다.

16. 써어지 임피던스 측정기 (Surge impedance tester)
철탑의 과도 접지저항을 측정하는 것으로써 과도 접지 저항에는 유도성, 평탄성 및 용량성이 있다.

• 유도성(Inductive type)
1) 다음과 같이 1～2 μs 동안은 정상치보다 높은 저항치로 나타나고, 점차적으로 저하하여 정상치에 가까워진다.

2) 대지 고유저항이 비교적 낮을때(대개 800 Ω-m이하) 는 대지 누설저항이 접지선의 Surge Impedance 보다 적어 각 부에서 부극성의 반사에 의해 접지저항은 시간의 경과에 따라 감소해서 과도특성은 유도성으로 나타난다.
3) 초기 과도저항이 정상 저항보다 크므로 정상치로 내뢰성을 검토하는 것은 위험하다.

• 용량성 (Capacitive type)
1) 다음과 같이 1～2 ㎲ 동안 정상치보다 상당히 낮은 값으로 되었다가 점차로 상승하여 정상치에 접근한다.

2) 대지고유저항이 비교적 클때(대개 1,500 Ω-m이상)는 대지누설 저항이 접지선의 Surge impedance보다 크게 되어 정극성의 반사 때문에 접지저항이 시간의 경과에 따라 상승해서 용량성으로 나타난다.
3) 과도저항은 정상저항 이하로 되므로 정상저항으로 내뢰를 검토하여도 안전하다.

• 평탄성(Flat type)
1) 다음과 같이 1～2 μs간에서 정상치보다 상당히 저하 하였다가 그 후는 거의 평탄하게 된다.(정상치 근방에서) 2) 대지 고유저항이 보통일 때(대개 800～1,500 Ω-m) 3) 과도저항은 정상저항 이하로 되므로 정상치로 내뢰를 검토하여도 된다.

• 측정기의 원리
철탑 Impedance Z 1 에 단극성 정전류 Impulse 0.4A를 1 ㎲∼256㎲ 동안 흘려 전위의 과도현상을 측정하는 것이 다. 그렇게 하기 위해서 전류 보조 접지단자로부터 철탑에 0.4A의 전류를 흘리기 위해서 발생하는 전압은 보조전선의 Impedance Z 2 와 접지봉의 Impedance Z 3 를 더한것에 0.4A를 건 높은 전압이 발생한다.
그래서 철탑 Impedance Z 1 에 0.4 A가 흐르는 것에 의하여 Z 1 의 양단에는 (0.4×Z 1 ) V의 전압이 발생한다. 그 전압을 전압 보조 접지점과 철탑간에 두고 측정하여 Z 1 을 산출해 낸다.

또 전압 보조접지의 Impedance Z4는 최대 3 ㏀이라고 하지만 한전이 사용하고 있는 기기는 1.5 ㏀으로 되어 있고 또 내부 Impedance가 30 ㏀ 으로 높기 때문에 생기는 측정 오차율는 1.5÷30＝5 %가 된다.

17. 변류기 시험기 (CT tester)
휴대용 변류기 시험기는 발전소 및 변전소 등에 설치된 계전기 및 계측용 변류기의 여자특성, 권수비, 극성 및 상차각 등을 시험하는 장치이다.
이 장치는 Microprocessor에 의하여 전압 및 전류를 측정하고 변류기의 특성을 판정하며, 측정 데이터, 여자곡선 그래프 및 특성 등을 프린터에 출력해 준다.

18. 고조파 측정기 (Harmonic tester)
최근 정보, 통신산업의 발전 및 생활수준의 향상에 따라 정보통신, 사무자동화, on-line service, 전산, 정밀제어 기기 등의 보급 증가에 따라 많은 수용가에서는 지금까지큰 문제시 되지 않았던 전력품질에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다. 고조파는 공급계통의 기본 주파수(정현파, 60 Hz)의 정수배 주파수를 가지는 사인파 전압․전류를 말하며 왜곡된 파형은 기본파와 고조파의 합으로 분리할 수 있다.

고조파는 전력계통에 사용되는 부하와 기기의 비직선성 특성에 의해 발생되며 그 영향으로는 과부하, 과열, 보호 계전기 오부동작, 소음발생 특정부품의 이상 등의 장해를 일으키고 소손, 절연열화, 수명저하, 용단 등의 악영향을 초래하게 된다.
고조파의 측정원리는 입력된 전압파형을 Sampling 하고 FFT(Fast Fourier Transform) 변환분석으로 기본파에 대한 각 차수별 고조파의 전압 Level을 계산 측정 하는 것이다.

19. Flicker 측정기
제철부하는 압연 스탠드에 재료가 물려 들어갈 때, 큰돌입전류가 흘러 재료가 토출될 때까지 부하전류가 지속 되며, 토출된 후는 무부하로 되는 특성을 지니고 있으며 아크로는 爐(노)속의 고철과 3상 전극과의 사이에 아크(Arc)를 발생시켜 그 열로 고철을 용해한다.

돌입전류에는 무효전력 성분이 많이 포함되어 있으므로 큰 전압 변동과 저차의 고조파를 발생 시키는데, 그 중에서도 10 ㎐ 주기의 전압변동은 사람의 눈에 가장 예민 하게 영향을 준다. 이 전압변동을 조명 플리커라 한다.
조명의 명멸은 사람의 눈의 감각에 의한 것 인데, 전압 변동의 주기(주파수)에 따라 다르며 시감도 계수 af로 표시할 수 있다.
플리커의 크기는 사람 눈의 명멸 시감도 계수를 가미해서 10㎐ 베이스로 등가 환산한 양으로 하여 ΔV 10 으로 표현한다.

Flicker 허용기준

과거에는 전력계통의 정태 입력을 모의하여 계전기의 응동특성을 시험하는 장비가 주류였으나, 근래에는 과도적 특성도 시험할 수 있도록 시험기 출력을 Programing 할 수 있는 장비, 인공위성 시간을 수신하여 원거리 송전 선로 양단에 설치된 계전기의 동시간 특성을 측정할 수있는 장비가 사용되고 있다.
보호계전기에 입력되는 전압, 전류치를 출력하여 계전 기의 응동특성, 동작시간 등을 시험하는 장비이다.
즉 전력계통의 전기적 상태를 모의하여 계전기가 전력 계통의 상태변화에 적절하게 응동하는지 여부를 시험하는 기기이므로 가변 전압원, 가변 전류원, 측정 timer 등으로 구성된다. 종류로는 단상용과 3상용이 있다.

과거에는 전력계통의 정태 입력을 모의하여 계전기의 응동특성을 시험하는 장비가 주류였으나, 근래에는 과도적 특성도 시험할 수 있도록 시험기 출력을 Programing 할 수 있는 장비, 인공위성 시간을 수신하여 원거리 송전 선로 양단에 설치된 계전기의 동시간 특성을 측정할 수있는 장비가 사용되고 있다.

21. 변압기 시험기 (Transformer tester)
변압기 고압측과 저압측에 3상 케이블을 연결하여 권선 비(전압비) 시험, 단락시험, 1차 여자전류 측정, 2차 여자 전류 측정, 특성시험, 극성시험에 사용되고 있다.
변압기 결선방식 Y-D, D-Y, D-D, Y-Y(Y : Y결선, D : Delta결선)에 따라 설정을 변경하여 시험이 가능하다.

22. 차단기 시험기 (Circuit Breaker tester)
차단기 개폐시간을 측정(동작시간 측정)하는 장비이다.
차단기 전압별로 정격차단시간은 170kV 이상에서는 3Hz, 미만에서는 5Hz이내 이어야한다. 그리고 정격 투입시간은 170kV 이상에서는 16.2Hz, 미만에서는 표준 동작책무에 지장이 없는 값으로 규정되어 있다.

23. 위상각계 (Phase angle multimeter)
부하를 공급하여 실 부하전류가 흐르는 상태에서, PT를 통한 기준전압과 CT를 통한 부하 전류사이의 위상관계를 Vector적으로 분석하고 사용 CT비에 대한 2차 전류 정상 유무를 확인할 수 있는 장비이다.
3 시 방향을 기준으로 하고 시계방향은 늦음, 반시계 방향은 빠름으로 표시한다.

24. 축전지 내부저항 진단장비
변전소 축전지의 축전지 Cell 전압, 내부저항, 온도 측정을 통해 정확한 성능 확인 및 판정이 가능한 장비이다.
축전지 Cell의 내부저항은 극판저항, 접촉저항, 전해액 저항 등의 합성저항으로 구성되어 있어 내부저항 값이 증가하게 되면 Cell의 성능이 크게 변화된 것으로 판정할 수있다.

변압기의 보수

1. 변압기의 보수기준

통계에 의하면 변압기의 중대사고의 ⅓, 경미한 사고의 ⅔는 일상 순회점검에서 발견되고 있다. 정지지기인 변압기는 본래 사고율이 낮은 다루기 쉬운 기기이긴 하지만 전원의 주간기기로서 그 중대사고는 장시간의 정전에 직접 연관되어 사회에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 이 위험을 미연에 방지하기 위하여 그 보수점검을 충분히 해야 할 필요가 있으나 그 결과는 정기적인 일상 데이터를 종합해 봄으로서 비로서 기대할 수 있는 것이다. 변압기 보수의 목적은 변압기의 열화정도를 알아내는 동시에 그 열화를 방지하기 위하여 제작시에 장치된 기기와 변압기로서의 역할을 해내기 위한 보조부품의 기능을 유지해서 본래 기대되는 수명을 만족시키는 것이다.

변압기 절연물의 주된 열화원인은 다음과 같은 것이 있고 실제로는 이것들이 중첩되어 열화가 진행된다.

① 열에 의한 열화 : 변압기가 발생하는 열 및 그 주위온도에 의하여 변압기 의 최고점 온도가 올라가 산화, 분해 등이 됨에 따라 절연유의 내압이 내려가기도 하고 고체 절연물의 기계적 강도 및 내압이 저하된다.

② 흡습으로 인한 열화 : 절연유 및 고체 절연물이 대기중의 수분을 흡수해 서 절연내력이 저하되고 고체 절연물에서는 기계적 강도가 저하 된다.

③ 부분방전으로 인한 열화 : 절연물에 가해져 있는 전계의 강도가 어느 한 도를 넘었을 때 절연물내에서 부분적으로 발생되는 방전으로 인 한 열화로 절연물이 탄화되어 절연내력, 기계적 강도가 저하된다.

④ 기계적인 응력으로 인한 열화 : 단락시 전자기계력, 또는 이상 진동, 충격 에 의하여 고체 절연물, 또는 구조물이 기계적으로 파괴된다.

변압기의 열화정도를 알아내는 수단으로는 종래부터 널리 시행되 어온 절연저항 측정 (메거 테스트) 이외에 유전정접 (tanδ), 흡 수전류 측정 및 유중가스 분석 등이 있다.

변압기의 보수는 그 변압기의 중요도, 종류, 사용법, 용량, 전압 등 여러종류의 요인에 따라 시행방법이 다르지만 일반적으로 운전개시 직후의 복잡한 점검, 정상운전시의 순회점검 및 변압기를 정지시켜 시행하는 정밀점검으로 나눌 수 있다.

보수에 임해서는 위험한 작업이 수반되기 때문에 사전에 면밀한 계획을 수립함과 동시에 충전부분의 확인, 작업부분의 접지실시 등 안전에 유의하여야 한다.

2. 변압기유의 보수

앞장에서도 절연물의 주된 열화 원인에 대하여 언급하였지만 현장에서 쉽게할 수 있는 절연유 파괴 전압 시험 과 전산가 측정에 대하여 직접 시험하여 보기로한다.

1) 절연유 파괴 전압 시험

▶ 준비 : 절연유 내압 측정기

절연유 2ℓ (두 개의 시료 준비)  

▶ 절연유 채취시 유의사항

① 용기는 녹이나 납이 포함되지 않은 재질의 것을 사용하며 뚜껑으로 고무 를 사용하지 않는다.

② 날씨가 맑고 습도가 높지 않은 날을 택하여 채취용기를 아세톤으로 세척 후 건조한 다음 동일한 절연유로 채취용기를 세척한다.

③ 본체 하부에서 대기에 노출 시키지 않고 채취

⇒ 시료의 온도는 15 ～ 35℃ 정도  

▶ 시험

① 시험용기는 직경 12.5㎜의 구상전극을 가진 마이크로 게이지로 전극간

간격이 2.5㎜가 되도록 조정한다.

② 절연유로 시험용기를 세척 후 용기를 시험기의 단자에 올려 놓은 다음 볼트를 조여 고정시킨다.

③ 기포가 발생하지 않도록 서서히 용기의 상부 적색 눈금까지 채운다.

(유면이 전극 상단에서 20㎜ 이상 되도록)

④ 시험기는 잔류전하의 제거를 위하여 반드시 접지를 하여야 하며 시험기의 단자에는 높은 전압이 유기되므로 안전에 유의하여야 한다.

⑤ 절연유를 채운다음 약 3분정도 방치하여 시험용기 속의 기포가 없어진후 초당 3kV의 비율로 전압을 상승시킨다. 순간적인 부분방전은 절연파괴로 인정하지 않고 시험기의 브레이커가 차 단되었을때의 전압을 절연파괴 전압으로 간주한다.

⑥ 최초의 절연파괴 후 약 1분간 방치하여 유중에 발생한 기포가 없어진후에 다음 절연파괴 시험을 한다.

⑦ 시료 측정은 5회씩 10회를 측정하며 각기의 첫 회의 값을 버린 8회의 평 균치를 구한다.

⑧ 동일 시료를 2회 시험시 시험결과의 차가 10kV를 초과하지 않아야 한다.

2) 全酸價 측정

절연유와 공기 또는 수분이 접촉하면 산소와의 반응에 의하여 열화하여 산화물이 생성되며 산가가 증가한다.

산화물이 슬러지화 하면 산가는 0.2이상으로 되어 절연성능과 냉각에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

절연유의 산가는 절연유 1[g] 중에 포함되는 전 산성성분을 중화하는데 필요한 수산화칼륨(KOH)의 [㎎] 수로 나타낸다.  

▶ 준비물

산가측정기 (시험관, 스포이트, 세정제, 시험관 브러쉬,주사기,산추출액) 절연유  

▶ 측정

① 시료유를 시험관의 5㏄까지 정확하게 넣을 것

(시료유의 온도는 10～30℃)

② 산추출액을 5㏄ 시험관의 10㏄까지 정확하게 넣을 것

③ 1분에 130회 정도의 비율로 시험관을 흔들어 절연유와 추출액이 분리될 때까지 2～3분 방치한다.

④ 주사기에 산적정액을 넣은 후 미량씩(한 방울씩) 투입하면서 시험관을 엄 지로 막고 수회 흔들어서 청색으로부터 적갈색으로의 변화를 확인한다.

적갈색이 되지 않을 경우 적갈색이 될 때까지 산가적정액을 미량씩 반복하 여 첨가한다.

⑤ 주사기의 눈금이 0.17～0.20사이에서 적갈색으로 변화하였으면 산가는 0.17～0.20 범위안에 있는 것으로 본다.

⑥ 0.17～0.20사이의 산가를 구할때는 청색에서 적갈색으로 변화할 때 약 15 초간 적갈색을 유지할 수 있을 때의 수치를 최종산가로 본다.

⑦ 절연유의 전산가 판정

3) 수분측정

․전지식 : 인버터에서 교류를 발생시킨후 다시 정류하여 정전압회로를 거쳐 직류를 발생시키는 방식
② 접속방법
선로단자 : 전원의 -극측에 접속(선로 또는 LINE로 명시)하고 접지단자는 전원의 +극측에 접속(접지 또는 EARTH로 명시)하며 또한 선로단자에는 원칙적으로 전원의 -극측에 접속된 보호링(가이드 링, 보호 또는 GUIDE로 명시)을 붙이고 이것을 전원의 -극측에 접속한다.

③ 측정상의 주의

- 측정리드선은 가능한 짧게 하며 대지에 절연이 좋은 전선을 사용한다.

- 사용전에 반드시 리드선의 선단을 단락하여 지시치가 0이되는가, 리드 선의 양단을 개방하여 ∞를 지시하는가를 확인한다.

- 측정하려는 변압기의 선로단자의 충전여부를 확인하고 변압기 단자에 연결된 각종 리드선과 피뢰기등을 분리한다.

- 붓싱의 애관을 잘 청소하여 누설전류에 의한 절연저항 측정의 오차 요 인을 제거한다.

- 대용량인 경우 충전전류로 인하여 최초의 지침이 0을 가르키는 경우도 있으나 이런 경우에는 단락시와 달리 일정한 시간이 경과후에 올바른 값을 지시하게 된다.

- 절연저항은 측정대상의 온도에 영향을 받으므로 변압기의 경우 정전 직후 유온이 가장 높은시점, 유온이 어느정도 떨어진 시점, 주위온도와 비슷한 시점등 적어도 3번 이상은 측정하여야 하며, 측정시 주위온도, 습도, 날씨 등을 기록하여 전측정치와 비교를 통하여 절연물의 상태를 알 수 있도록 하여야 한다.

- 측정시 회로에 유도전압이 발생하여 지침이 진동할때에는 그 평균치를 읽어 판단한다.

변압기 이론

1. 변압기

변압기(TRansformer : TR)란 전자세력을 매개로 전자유도 작용에 의하여 한쪽의 권선에 공급한 교류전기를 다른 쪽의 권선에 동일주파수의 교류전기로 전압을 변환하는 정지 유도기기로서 적어도 2개 이상의 전기회로를 구성하는 권선들과 한 개의 공통된 자기회로를 이루는 철심 및 절연유 등의 절연물로 구성된다. 변압기는 사용장소에 따라 증폭기 등에 사용되는 소형변압기, 배전선로 전주 위에 설치되는 주상변압기 및 발전소, 또는 변전소 등에 설치되는 전력용변압기 등으로 나눌 수 있으며 그 외에도 사용목적에 따라 시험용변압기, 접지변압기, 정류기용변압기, 전기로용변압기, 방폭형변압기 등이 있으나 상세한 분류는 다음에 설명하기로 한다.

2. 변압기의 용도

변압기의 기본적인 용도는 고압, 소전류의 전력을 동일주파수의 저압, 대전류의 전력으로 변환하거나, 또는 이와 반대로 저압, 대전류의 전력을 동일주파수의 고압, 소전류의 전력으로 변환하는데 있다. 이 목적을 위하여 송배전계통에서부터 가정의 TV 등에까지 넓게 사용되며 그 크기, 종류 등은 천차만별이다. 변압기는 이와 같은 기본적인 용도 외에 다음과 같은 목적에도 사용된다.

ㅇ 1차회로와 2차회로의 절연 : 이 목적에 사용되는 변압기를 절연변압기라 한다.

ㅇ 전압, 전류 측정용의 변성기 : PT, CT 등을 말한다.

ㅇ 상수 변환 : 두 단상변압기를 사용하여 3상에서 2상을 얻을 수 있는데 이 결 선을 스코트 결선이라 한다. 또 3개의 단상변압기를 사용하여 3 상에서 6상 등의 상변환도 가능하다.

ㅇ 임피이던스 정합 : 이 목적에 사용하는 변압기가 부하에 주어지는 전력을 최 대로 하기 위하여 설치하는 정합변압기이다.

3. 변압기의 분류

1) 상수에 의한 분류

ㅇ 단상 변압기

ㅇ 3상 변압기 : 3상 변압을 하려면 다음 두 가지 방법이 있다.

- 단상변압기 3대를 사용한다(2대를 사용하는 경우도 있다.).

- 3상변압기를 사용한다. 이 방법이 변압기가 소형, 경량 및 경제성이 있어 일반적이나 고장시 계통에서 변압기용량 전부가 제거되는 결점이 있다.

2) 내부구조에 의한 분류

① 내철형(Core Type)
두 개의 전기회로와 한 개의 자기회로로 구성되며 권선에 대하여 철심이 내측에 있다. 세 개의 철심각으로 구성된 것도 있는데 이것은 중앙에 있는 철심각에만 권선되어 있어 외철형 같지만 중앙각만 보면 내철형의 하나의 각과 같으므로 특히 내철형으로 부르는 경우도 있다. 일반적으로 내철형은 동기계라 불리며 권회수가 많고 철심이 적다. 이 형은 낮은 자기저항을 가지며 누설자속이 외철형보다 크다. 구조상 절연이 용이하여 고전압, 대용량 변압기에 쓰는 경우가 많다.
② 외철형(Shell Type)
한 개의 전기회로와 두 개(또는 2 이상)의 자기회로로 구성되며 권선에 대하여 철심이 외측에 둘러싸여 있다. 외측에 여러 개의 자기회로가 있는 분포철심형은 외철형의 일종이다. 외철형은 철기계라 불리며 권수가 적고 철심이 크다. 내철형에 비하여 누설자속이 적고 기계적으로 튼튼하다. 대전류의 전기로용에는 외철형을 쓰는 경우가 많다.
③ 권철심형(Wound Core Type)
한 개의 긴 동대를 말아서 철심을 만든 것으로 다른 형의 성층구조보다 경제적이다. 이 형에서는 넓은 단면적중 단 한 개의 짧은 공극만이 있어 전자로가 유효하며 자속방향이 동판을 감은 방향과 일치할 때 철손이 감소하고 투자율이 증가하는 장점이 있다.

3) 냉각방식에 의한 분류
변압기의 모든 철손은 권선과 철심에서 열로 방산된다. 이 철손은 비교적 적지만 적절한 냉각방식을 갖추지 않으면 과열되어 불안정한 고온에 도달한다. 대부분의 변압기에서 철심, 또는 권선에 대한 단위용량당의 허용전력손실은 비교적 낮은 값으로 제한된다.
열은 방사, 대류와 전도의 세 법칙으로 방산되지만 방사와 대류가 그 대부분을 차지한다. 변압기 발열량은 체적에 비례하여 발생하며 치수의 3승에 비례하나 냉각면적은 2승에 비례하므로 용량이 커질수록 체적과 냉각면적의 차이가 더욱 커져 냉각에 어려움이 생기고 이것이 중요한 문제로 된다.
소형변압기에서는 표면이 평탄하여도 열방산이 잘 이루어지나 변압기가 커지면 (체적/냉각면적)에 의하여 열방산이 어려워진다. 변압기용량이 커지면 열방산을 잘 하기 위하여 변압기함 표면이 평면형에서 유구형, 방열관형, 방열기형으로 되고 아주 대형에서는 결국 인공적인 냉각방식이 채용된다. 변압기 냉각방식을 대별하면 다음과 같다.
① 건식 자냉식(Air Cooled Type : AN)
특별한 냉각방식을 취하지 않고 공기의 자연대류에 의하여 방열한다. 20㎸A 정도 이하의 계기용변성기나 전압이 비교적 낮은 소용량변압기에 채용된다.
② 건식 풍냉식(Air Blast Type : AF)

변압기를 절연유속에 넣는 대신에 철심이나 권선 각층에 마련된 특수 통풍기에 강제로 전동송풍기를 사용하여 송풍함으로서 열을 방산하는 방식이다. 이 방식은 깨끗한 공기와 송풍기, 그리고 냉풍의 균등한 분포를 위한 특수장치가 필요하다. 근래 유리섬유를 내열내수성의 규소수지로 처리한 H종절연을 사용하게 되었고 변압기유에 의한 화재를 특히 방지할 필요가 있는 장소, 예를 들면 지하철이나 고층건물의 지하실변전소, 또는 전기로용변압기 등에 사용된다. 고가인 것이 결점이며 25㎸A 이하에서 사용된다.
③ 유입 자냉식(Oil-immersed Self-cooled Type : onAN)

절연유가 채워진 외함 속에 변압기 본체를 넣는다. 기름의 대류작용으로 열이 외함에 전달되고 외함에서 방사, 대류, 전도에 의하여 외기에 방산되는 방식으로 가장 널리 채용되고 있다. 15㎸A까지의 주상변압기에서는 외함이 평활하지만 20㎸A 이상이 되면 방열면적이 부족해지므로 외함에 핀(Fin)을 붙이거나 파형철판의 외함을 사용한다. 용량이 더욱 커지면 파형철판 대신에 방열관을 외함에 용접하거나 방열기(Radiator)를 붙인다. 방열기는 조립과 분해가 용이하고 수송이 편리하여야 한다.
방열기식은 설치면적이 커지는 결점이 있지만 설비가 간단하고 보수가 용이하므로 60,000～70,000㎸A 정도까지 제작되고 있다. 그러나 가격면에서는 20,000～30,000㎸A 이상이 되면 송유식이 유리하다.
④ 유입 풍냉식(Oil-immersed Air Blast Type : onAF)

유입자냉식의 방열기에 송풍기를 달고 강제냉각하는 방식이다. 자냉식에 비해 20 ～30%의 용량증가가 가능하다. 부하율이 낮을 때는 송풍기를 정지시키고 정격의 70% 부근에서 송풍기에 의한 자동운전을 하면 유리하다. 그러나 송풍기의 소음에 주의하여야 한다.
⑤ 유입 수냉식(Oil-immersed Water-cooled Type : onWF)

이 방식은 외함의 상부에 나선형의 냉각관을 두고 냉각수를 순환시켜서 기름을 냉각하는 방식이다. 물이 풍부한 수력발전소나 화학공장 등에 많이 사용되었지만 냉각방식의 진보에 따라 현재는 그 사용이 줄어들었다. 이 방식에서는 냉각관의 부식, 침전물의 부착, 냉각수의 동결 등의 장해가 생기기 쉬운 결점이 있다.
⑥ 송유 풍냉식(Forced-oil Blast Type : OFAF)

절연유를 기름펌프를 사용하여 다른 냉각기로 가져가 송풍기로 강제 냉각시키고 다시 외함 속에 송유, 순환시키는 방식이다. 냉각효과가 좋고 치수, 중량이 적어지므로 근래의 고전압 대용량 변압기는 이 방식이 많다. 그러나 기름펌프를 사용하므로 보수상 주의를 요한다.

⑦ 송유 수냉식(Forced-oil Water-cooled Type : OFWF)

송유수냉식은 송유풍냉식의 풍냉 대신에 수냉을 채용한 방식으로 냉각효과가 크다. 유입수냉식과 달리 하수나 해수의 사용도 가능하나 유입수냉식과 같이 냉각기의 고장이 염려되어 근래에는 별로 사용되지 않는다.

다음 표는 대용량변압기의 각 냉각방식에 대한 제품 중량비의 개략치이다.

변압기 중량 비교

4) 용량에 의한 분류

ㅇ 소형 변압기 : 50㎸A 이하

ㅇ 중형 변압기 : 75～500㎸A

ㅇ 대형 변압기 : 500㎸A 이상

5) 극성에 의한 분류

ㅇ 감극성 변압기

ㅇ 가극성 변압기

4. 변압기의 구조

1) 철 심

변압기는 전기회로(동부분)와 자기회로(철부분)로 구성된다. 자기회로를 구성하는 자기철심은 철심에서의 와류손을 적게 하기 위하여 규소강판을 성층(Lamination)하고 여러가지 형으로 성형된다. 성층철심의 종류는 변압기의 내부구조에 의한 분류에서 설명한 바와 같다.

철심 속의 자속이 시간에 따라 변화하면 와류손과 히스테리시스손이 생긴다. 철의 규소함유량과 플림(Annealing)은 히스테리시스손을 결정하는 중요한 요인이 된다. 약 4% 정도의 규소함유량을 가진 가온처리된 규소강판이 자장 좋은 재료에 속한다. 일반적으로 규소함유량이 증가하면 투자율과 전기저항이 증가하여 좋은 자성체가 형성되나 4%가 넘으면 재료가 부러지기 쉽고 가공공정이 어려워진다. 변압기 철심은 가공부분이 적으므로 4% 정도의 고규소강판이 사용된다. 이 규소강판의 두께는 사용목적과 주파수에 따라 다르며 60㎐에서 0.35㎜, 25㎐에서 0.50㎜이다. 보통의 규소강판은 열간압연으로 압연되지만 이것을 강한 냉간압연으로 하면 압연방향에 우수한 자기특성을 가지게 된다. 이것을 이용하여 띠모양(대상)의 긴 강판(폭 540～740㎜)으로 만들어 원통형으로 감는다. 이것을 방향성규소강판이라 한다.

전류의 흐름을 방지하기 위한 표면절연은 소용량에서는 규소강판 표면에 성형시킨 산화피막을 이용하지만 대용량에서는 바니스나 물유리를 소부하거나 종이를 붙인다. 높은 자속밀도에서는 규소강판의 표면 산화피막이 철손을 증가시킨다는 것이 판명되어 산세척 등으로 이것을 제거하고 무기질의 절연피막을 붙여 사용하는 경향에 있다.

내철형에서 철심은 규소강판을 구형편으로 잘라 이어지는 곳이 한 곳에 몰리지 않도록 성층한다. 용량이 커지면 강판의 폭을 대소 여러 종류로 나누고 조립한 철심의 주변에 원통형 코일이 내접하도록 단을 둔다. 용량이 더욱 커지면 내부에서의 과열을 막기 위하여 강판사이에 간극편(Spacer)을 넣어 10㎜ 정도의 유도를 만든다. 철심은 절연된 볼트로 조인다. 대형변압기에서는 조립된 철심에 원통형 코일을 끼워 넣고 상부의 수평부분에는 구형 강판편을 여러 장씩 쌓고 이어지는 곳이 한 곳에 몰리지 않게 차례차례 교대로 끼워진다. 내철형에서는 방향성 규소강판을 사용할 때 압연방향과 그의 직각방향에서는 자기특성이 매우 달라지므로 액자형으로 한다.

외철형의 조립은 권선외측에 강판을 적층한 것이다. 소형의 경우는 대소 두 종류의 E자형 강판을 권선에 대하여 차례차례 교대로 끼워 넣는다. 중용량의 경우는 권선 양각주위에 강판을 적층하되 강판이 이어지는 곳이 서로 교대로 나타나도록 한다.

방향성규소강대를 권선주위에 감은 권철심형 구조로 하면 강판구형편을 적층한 철심에 비하여 여자전류와 철손이 매우 감소한다. 그리고 권철심을 만들어 둘로 절단한 것을 커트코어(Cut Core)라 하며 권선에 코어를 끼워 넣은 다음 절단면을 접착제로 접착한다.

2) 권 선

변압기 권선에는 동선, 또는 동각선이 사용되며 전류용량이 클 때는 큰 단면적을 필요로 한다. 도체내의 와류손을 감소시키기 위하여 단일도체보다는 단면적이 적은 여러개의 동선이나 동각선을 병렬로 사용한다. 이 병렬로 된 여러 개의 동선은 위치에 따라서 길이와 쇄교자속수가 달라져 리액턴스가 달라지므로 전위(Transposition)를 하여 리액턴스의 부동을 시정한다. 도체피복의 절연정도는 사용전압의 크기에 따라 결정된다.

권선에는 직접권형과 형권형의 두 가지가 있다. 직접권형 권선은 철심각 위에 대지절연을 한 다음 저압권선을 직접 감고 사용전압에 따라 절연을 한다. 그리고 그 위에 고압권선을 감는다. 마지막에 단철로 자로를 완성시키고 ㄱ형강 등으로 철심을 조인다. 그러나 용량이 커지면 제작이 곤란하므로 내철형 배전용변압기 외에는 별로 사용되지 않는다.

형권형 권선은 목제의 권형, 또는 절연통 위에 코일을 감고, 절연처리를 한 다음 조립하는 것으로 보통 변압기는 모두 이 방법이 채용된다.

권선의 배치에는 동심배치와 교체배치가 있다. 동심배치는 내철형에 많이 사용되며 각종 원통코일을 사용한다. 원통코일을 동심적으로 여러 층 겹친 다중코일이 많이 사용된다. 원판코일은 대용량 고압권선에 가장 많이 채용되는데 두께 1～4㎜, 폭 5～15㎜의 종이를 감은 동각대를 감아 겹친 것을 섹숀(Section)이라 하며 이 섹숀 2장을 접속하여 한 조로 한 것을 쌍코일이라고 한다. 이 쌍코일에 간극편을 끼워 많이 쌓고 외부로 나가는 리드선을 직렬로 접속한 코일을 원판코일이라고 부른다. 다수의 병렬 각동대를 겹치고 한 권마다(권회간) 절연물을 넣고 나선형으로 감아 올린 것을 헤리칼코일(Helical Coil)이라 부르며 대전류용에 사용된다. 이들 코일은 전압, 전류의 크기에 따라 제작되며 대부분의 경우는 저압측 코일을 철심 가까이에, 고압측 코일을 그 위에 배치한다.

교체배치는 주로 외철형에 채용되며 구형의 판상코일을 만들고 극간 절연판을 끼운 다음 고압과 저압을 교대로 배치, 조립한 것이다.

절연은 변압기 구성중 가장 중요한 부분으로 절연재료로서는 절연유, 종이, 프레스보드(Pressboard), 테이프 등이 그 주체가 된다.

도체 한 권의 절연을 권회간 절연이라고 하며 이 절연에는 에나멜이나 2중 면권이 많고 전압이 높아지면 마닐라지를 사용한다. 원판코일을 사용하는 대용량 고전압이 되면 마닐라지로 감고, 또 간극편을 두어 절연유에 의하여 절연과 냉각 두 작용을 하게 한다.

고압 배전용변압기에서는 코일이 동심적으로 여러 층이 되므로 코일의 한 층마다 그래프트지, 또는 마닐라지 등을 넣어 절연한다. 이와 같은 절연을 층간절연(Layer Insulation)이라 한다. 대용량에서 원통형 코일을 여러 층 겹쳐 사용하는 것에는 층간절연이 필요하다. 그리고 권선과 철심간, 1차와 2차권선간의 절연은 그 전압의 크기에 따라 적당한 절연을 하지만 고전압이 되면 절연내력이 큰 그래프트지로 만든 성층절연통을 여러 개 사용한다. 권선단 절연과 상하 계철과의 절연에는 절연지로 만든 형절연환(Flange Colour) 등을 사용한다. 또 배전용변압기에서는 고압권선과 저압권선 사이에 접지한 엷은 금속판을 두어 고전압 권선간의 혼촉위험을 방지한 혼촉방지 변압기가 있다. 이 변압기는 저압측의 1선접지를 싫어하는 광산이나, 조선소 등에서 사용된다.

고압변압기에서 코일의 끝부분에는 특별한 절연이 필요하다. 왜냐하면 변압기에 스위치를 넣는 경우나 선로에 서어지(Surge)가 생긴 경우 변압기 권선과 다른 부분과의 분포용량이 작용하여 권선 끝부분에 아주 큰 전압왜력이 가해지기 때문이다. 이런 현상은 권선 양단의 어느 한쪽 끝에서도 일어나므로 과도기간중 권선을 보호하기 위하여 권선 끝부분 10% 가량은 특수절연을 한다.

3)변압기유

변압기의 절연과 냉각을 위하여 변압기유가 사용되므로 그의 선택은 매우 중요하다. 변압기유에 요구되는 특성은 다음과 같다.

ㅇ 절연내력이 높을 것.

ㅇ 수분과 불순물이 없을 것.

ㅇ 산성, 알칼리성 및 유황이 없고, 화학적으로 안정할 것.

ㅇ 점도가 낮아 냉각작용이 양호할 것.

ㅇ 이화성과 응고점이 낮을 것.

ㅇ 각종 재료를 침식하지 말 것.

위의 요구에 대하여 현재 가장 많이 사용되는 것이 원유를 증류하여 충분히 정제한 석유계의 광유이다.

우리나라에서는 한국산업표준규격(KS)으로 절연유를 규정하고 있다. 그중 2호유는 일반 변압기유이고, 3호유는 한냉지에서 사용해서는 안된다. 그리고 어느 것이나 절연파괴 전압은 지름 12.5㎜의 구상전극을 2.5㎜의 공극을 떼어놓았을 때 실효치 30㎸ 이상이라야 한다.

변압기유로서 근래 비교적 많이 사용되는 것에 불활성 합성절연유가 있다. 이것은 합성수지계통에서 만들어진 유기탄화수소의 비가연성 합성물로서 탄화수소 분자에서 수소를 염소로 대치시킨 것이다. 이것은 유전율이 매우 높으며 섬유질의 유전율과 거의 같다. 절연내력은 광유보다 높다. 이 절연유가 피라놀(Pyranol)이라는 상품명으로 팔리고 있다. 이 변압기유는 고층건물, 광산, 도시 변전소 등에 사용되며 광유보다 값이 수십배 가량 비싼 것이 결점이다.

이 외에도 높은 안정성을 가진 것에 실리콘이라 하는 액체 유전물이 있다.

변압기의 외함은 밀폐하지만 부하의 변동이나 주위온도 변화에 따라 외함내의 온도와 부피는 변한다. 이 때문에 외함내외에 기압차가 생겨 공기가 출입한다. 이것을 호흡작용이라 한다. 이 결과 변압기유에 공기중의 습기가 침입하여 절연내력을 저하시킴과 동시에 가열된 기름이 공기중의 산소와 작용하여 불용성 석출물(Sludge)을 생성한다. 이 석출물은 철심이나 코일 위에 침전하여 방열작용을 방해할 뿐만 아니라 기름의 점도를 높여 대류를 나쁘게 함으로 냉각작용을 저하시킨다.

이와 같은 기름의 열화를 방지하는 장치가 콘서베이터(Conservator)이다. 이 장치를 사용하면 공기는 외함내에 출입할 수 없고 콘서베이터내에서 온도가 낮은 기름과 접촉할 따름이다. 또 외부공기가 호흡작용으로 콘서베이터를 출입할 때는 호흡기(Breather)를 거쳐 행한다. 이 때는 염화칼슘, 실리카겔과 같은 탈수제를 채운 통기장치를 둔다. 보통 500㎸A 이상의 변압기는 거의가 다 콘서베이터를 가지고 있다. 그러나 이 장치를 두어도 장시간이 경과하면 산화작용에 의한 열화는 면하기 어렵다. 따라서 일정기간을 정하여 변압기 하부에서 기름을 빼내 표준유 절연시험으로 절연내력을 시험하여 절연내력이 25㎸ 이하가 되면 유여과기(Oil Filter)로 절연내력이 30㎸ 이상이 될 때까지 여과한다.

근래의 대용량 변압기에서는 콘서베이터의 빈 공간에 질소를 봉입하고 완전히 공기와의 접촉을 차단한다. 이것을 질소봉입 변압기라 한다.

또 정제한 기름면 위에 질소가스를 봉입한 다음 외함과 뚜껑을 용접한 변압기가 있다. 전혀 호흡기를 두지 않으며 가스실의 부피를 적당히 하고 외함의 강도를 정한다. 이것이 밀폐형 변압기이며 7,500㎸A 정도까지 제작되고 있다. 이 변압기에서는 기름의 열화는 없는 것으로 보고 그의 교환을 하지 않는다.

안전관(Brusting Tube)은 변압기 본체의 고장으로 외함내의 압력이 갑자기 높아지면, 안전관의 유리판을 밀어 깨뜨려 기름을 분출시키는 장치이나 최근에는 자동복귀형으로 개량되는 추세이다.

4) 부싱(Bushing)

변압기 구조에서 중요한 문제의 하나는 변압기 권선과 외부회로를 어떻게 접속하느냐 하는 것이다. 변압기 권선의 인출선은 부싱에 의하여 외함과 충분히 절연하여 외부에 인출된다. 부싱의 종류는 다음과 같다.

① 단일형 부싱

도체에 단지 애관을 씌운 것으로서 30㎸ 이하에 사용된다.

② 컴파운드 부싱(Compound Bushing)

도체에 절연물을 감고 이것과 자기애관 사이에 절연 컴파운드를 주입한 것으로 70㎸ 정도까지 사용된다.

③ 유입 부싱(Oil Filled Bushing)

도체와 자기애관 사이에 성층절연물의 통을 동심적으로 삽입하고 그 사이 에 절연유를 채운 것으로 고압 변압기용에 가장 많이 사용된다. 절연유의 열화를 방지하기 위하여 근래에는 완전밀봉하여 호흡작용을 시키지 않는 밀봉형 부싱이 제작되고 있다.

④ 축전기형 부싱(Condenser Type Bushing)

도체의 주위에 종이 절연층과 급속박을 교대로 겹쳐 감고 이들간에 동심 원통의 축전기를 형성시킨 것이다. 외측일수록 금속박의 축방향 길이를 짧게 하여 정전용량을 같게 만든 것으로 종이에 걸리는 전위분포가 균 일하게 되어 비교적 가늘면서 충분한 절연내력이 얻어진다.

부싱은 인출선과 외함사이에 누설전류가 흐르지 않게 외부애관에 주름을 많이 두고 있다. 또 이상 전압상승, 또는 뇌전압에 대하여도 적당한 섬 락전압치를 갖도록 제작된다.

5) 절연 계급(Insulation Level)

절연계급이란 전력용 기기 및 설비의 절연강도의 계급을 말하며, 각 절연계급에 대응해서 절연강도를 지정할 때 기준이 되는 기준충격 절연강도(BIL[㎸])가 정해져 있다. 기준충격 절연강도는 계통에서의 뇌전압 진행파의 파고차, 각종 보호장치의 보호능력, 경험, 선례 등을 참고하여 정한 것으로 충격 내전압시험은 이에 따른다. 이와 같은 목적은 기기나 설비의 절연설계를 표준화하고 계통절연의 구성에 통일성을 주기 위함이다. 전력계통 각부의 절연강도는 회로전압의 계급에 따라 보호장치의 유무, 보호능력, 계통의 중요성과 그 지방의 뇌강도를 고려하여 선택하는데 보통 회로의 공칭전압에 맞는 계급을 채택한다.

다음 표는 절연계급별 기준충격 절연강도를 나타낸다.

기준충격 절연강도

6) 정 격(Rating)

정격이란 명판(Name Plate)에 표시된 출력, 전압, 전류 등 그 기계의 사용한도를 나타낸 것이다. 이 정격에는 연속정격(Continuous Rating)과 단시간 정격(Short Time Rating)이 있다 연속정격이란 지정된 조건에서 연속사용하였을 때 지정된 온도상승을 초과하지 않는 정격으로 보통 정격이라 함은 이것을 뜻한다. 단시간정격이란 전기차나 권양기용 전동기와 같이 가변부하용에 대하여 정해진 것으로 예를 들면 2시간 정격이란 상온상태에서 명판에 표시된 것과 같은 부하를 2시간 운전하였을 때 온도상승이 지정된 한도를 넘지 않는 정격을 말한다. 그러므로 같은 출력의 기계에서 단시간정격의 것이 연속정격보다 크기가 매우 적어진다.

변압기의 정격은 ㎸A로 표시된다. 이것은 변압기의 손실이 전류나 전압만에 관계하고 부하역률에는 무관한 까닭이다. 정격출력은 정격 2차전압, 정격 2차전류, 정격주파수 및 정격역률로 2차단자간에서 얻어지는 전력을 말한다. 그리고 정격역률은 별도로 지정되지 않는 한 100%를 취한다.

7) 절연물의 내열구분

변압기는 철심과 동선, 그리고 이들을 서로 절연하는 절연물로 구성되어 있다. 이중에서 절연물은 열에 약하고 고온상태에 있으면 소손까지는 안가더라도 특성이 열화하여 변압기를 사용할 수 없게 된다. 그리하여 절연물의 수명을 10년이나 20년이 되도록 하기 위하여 절연물에는 허용 사용온도가 정해져 있다.

지금 변압기의 주위온도를 40℃라 하면 A종 절연물(유입변압기의 경우는 대부분 이것을 사용함.)에서는 105-40=65℃의 온도상승이 허용된다. 그러나 실제에 있어서는 온도 측정상의 오차를 고려하여 이것보다 5℃, 또는 10℃ 낮게 규격을 정하게 된다. 변압기에서 온도상승을 좌우하는 것은 변압기내에 발생하는 철손과 동손의 열손실 및 이것에 대한 열방산의 양부이다. 어떤 일정한 열방산에 대하여 최종 온도상승을 허용치 이내로 하기 위하여서는 철손과 동손이 어떤 한도내에 있어야 한다. 그런데 주파수가 일정할 때 철손은 거의 전압의 2승에 비례하며 동손은 전류의 2승에 비례한다. 따라서 철손의 관점에서는 정격전압을, 동손의 관점에서는 정격전류를 정하고 이들의 적으로 변압기의 용량을 정하고 있다.

다음 표는 절연물의 내열구분을 나타낸다.

절연물의 내열구분

단로기 (89)

단로기는 전기기기의 점검, 수리의 경우 그 부분을 전원으로부터 개방하거나 또는 회로의 접속을 변경할 경우에 사용되는 것으로 전류가 흐르고 있는 회로의 개폐를 목적으로 하지는 않는다. 부하전류를 개폐 하는데는 차단기를 사용하고 더욱 안전을 기하기 위하여 단로기로 회로를 구분한다. 단로기의 정격은 전압이 6.6KV에서는 전류가 200A, 600A, 1200A, 2000A, 4000A가 있고, 23KV에서는 600A, 1200A, 2000A, 4000A가 있다.

○ 단로기의 특성

(1) 부하 차단 능력이 없으며 회로 개폐 기능

(2) 차단기와 단로기는 서로 연동

(가) 투입시 : 단로기 투입 후에 차단기 투입

(나) 차단시 : 차단기 차단 후에 단로기 개방

차단기

차단기는 회로의 사고시에 고장전류를 개방하는 능력을 주목적으로 하며 회로를 선택하여 개폐하는 것이므로 동작횟수 등이 한정된다. 즉 차단기는 정상상태의 부하전류를 개폐함과 동시에 이상상태 발생시에 신속히 회로를 차단하고, 회로에 접속된 전기기기, 전선류를 보호하고 안전하게 유지하는 것이다.

1. 차단기의 정격

1) 정격전압 : 규정된 조건하의 그 차단기에 부과할 수 있는 사용회로 전압의 上限. (최대 허용전압) 통상 정격전압은 3상의 선 간전압으로 표시. (미 지정시는 선간전압의 실효치)

공칭전압 × 1.2 / 1.1               

EX) 6.6×1.2/1.1 = 7.2KV

22KV - 24KV

22.9KV-Y - 25.8KV-Y 한국전력공사 표준 (ESB)

154KV - 170KV. 345KV - 362KV

2) 정격전류 : 정격전압, 주파수하에서 규정의 온도상승 한도를 초과없이 연속 적으로 통과 할 수 있는 전류(600, 800, 1200, 200 0, 3000, 4000A)

※ 차단용량, 정격전류를 고려하여 수전·연락 1250A,

정류기용 630A. 회로전류의 120%이상인 정격전류의 차단기 선정 (콘덴서군 전류의 150%이상)

정격전류 In = P/√3V cosθ

                 P : 설비용량(KW)

                V : 정격전압(KV)

                cosθ : 역율

3) 정격차단전류 : 정격전압, 주파수의 사용조건에서 차단 가능한 전류, 즉 단락 사고시 단락전류를 차단할 수 있는 능력(계통 의 3상 단락전류의 상위치) (2, 4, 8, 12.5, 25KA) GCB - 25KA

4) 정격차단용량 : 정격 차단전류로 대처함  

5) 정격투입전류 : 정격차단전류의 2.5배를 표준(JEC 규격)

* 단락사고가 소멸되지 않은 회로에 차단기를 투입하면 과대한 전류가 흘러 전자력에 의한 기계적인 Shock나 융착을 발생시키는 경우가 있다

* 이러한 회로에 지장 없이 투입할 수 있는 능력이 차단기에 요구  

6) 정격단시간전류 : 정격차단전류와 동일하며 그 전류를 2초간 통과시 이상이 없는 전류

* 정격단시간 전류용량은 단락용량이나 계전기의 정정시간 및 사용 동작책무에 관계됨으로 충분히 검토

GCB : 25KA/2sec, ESB와 광명전기 : 1초간, 미국은 4초간 (10 CYCLE 후자)  

7) 정격차단시간 : 트립 코일이 여자 되는 순간부터 모든 극의 아크가 소호될 때까지의 시간 (교류의 60Hz의 주기로 표시- 3Cycle 차단기라면 3/60sec이내 차단을 완료할 수 있다)

* 차단시간 = 개극시간 + 아크시간

GCB : 5 싸이클

50Hz - 1cycle - 20ms, 60Hz - // - 17ms

*정격차단시간(ESB)

차단기의 정격전압 및 차단시간

※ 정하여진 회로 조건, 정격상태에서 차단기가 차단지령을 받고 나서 부터 차단을 완료하기까지의 시간을 Hz로 표시하는데 보통 고압차 단기는 일반적으로 5~8(Hz)로 표준 주파수로 하고 있다.

7.2KV 이하 - 5~8Hz, 25.8~72.5KV - 5Hz, 170KV 이상 - 3Hz

8) 정격개극시간 : 트립 코일이 여자 되어 가동접점이 고정접점에서 떨어지는 시간, 이 시간은 조작기구의 기계적 성능을 나타내는 하나의 척도 * GCB : 0.05초  

9) 정격재기전압 : 정격차단용량하의 차단전력을 차단할 때 나타나는 고유 재기전압의 한도, 고유 재기전압의 진폭율과 주 파수로 나타낸다. * GCB : 0.5KV/㎲

※ 정격재기전압 : 정격차단전류 또는 그 이하의 전류를 차단할 때 부과 될 수 있는 고유 재기전압의 한도

10) 재기전압 : 극 양단자간, 각 접촉자간에 나타나는 過度電壓, 이는 상 용주파의 회복전압과 과도 분으로 나누어 따로 생각하는 것이 편리 ( 차단전류가 Arc 상태로 되어 0으로 된 후에 전극간에 나타나는 전압의 초기의 과도성분(재기전압 상승 률 - 이것의 시간적 증가율)  

11) 정격 투입, 트립 전압 : 직류, 교류 모두 100, 200V

* 투입 - DC시 85~110% 변동에 대해서 성능보장

* 트립 - DC시 60~125%  

12) 절연강도( Insulation Level)

* 전력용 기기 및 기타 공작물 절연강도는 사용주파(Power Frequency) 및 충격파 (Impulse) 의 절연내력을 말함

* 차단기의 절연강도는 보통 대지절연강도(對地絶緣强度)로 표시

* 차단기의 同相 주회로 단자간 및 異相 주회로 단자간의 절연강 도는 대지절연강도 이상으로 되어야 함을 원칙

차단기의 사용주파내전압 및 뇌 임펄스 내전압치

주 1) 괄호내의 숫자는 옥내용 차단기에 적용

2) 상용주파 전압치의 가압시간은 건조 1분, 주수 1분간으 로 하며, 옥내용은 건조상태 옥외용은 건조 및 주수상태 에서 실시한다

3) 뇌 임펄스 내전압 시험은 건조상태에서 정부양극성을 인 가하여 실시

13) 절연계급(Basic Insulation Level : BIL) : 충격전압(뇌 Insulation) 에 대한 절연강도 정격 내전압치

차단기의 절연 계급

※ 옥내용의 것은 건조상태만이 옥외용은 건조, 주수 상태가 적용

2. 용어의 정의

1) Bumper : 단극기구의 하부에 차단의 최종동작을 하는 가동부의 스프 링이 역으로 진동하는 것을 막아 기계적 충격을 감소시킨 다. 개폐조작시의 탄성은 Oildamper를 설치하여 극력 억제

2) BIL(Basic Impulse Level) : 기준 충격 절연 강도

3) Lift Lod (절연 조작봉) : Lift Lod Guide(조작봉 지지)에 의하여 수 직 동작, 차단시간의 단축을 위한 접촉자운 동의 고속화 개극 시간의 단축, 고속도 재투 입 등에 의해 조작기구에 부담이 커짐.

※ 차단기의 고장 투입시 투입이 완료한다면 단락투입이 되어 큰 전자 력을 받게된다

4) ANSI(American National Standards Institute) : 미국 국가 규격협회

* 제어장치 : 차단기의 외부에서 신호를 받아서 이를 선택하여 차단기 조작의 에너지를 제어하는 장치(Trip coil, 전자 접촉기, 압력계전기, 전자변, 제어 계전기, 연동보조접점)

5) 조작장치 : 차단기의 가동접촉부를 직접 동작시키는 에너지를 처리하 여 전달하는 기구, 따라서 차단기는 조작전압, 압력 및 제 어전압, 압력이 어느 정도 변동하더라도 이상 없이 동작되 지 않으면 안되는데 이 변동범위는 규정하는 것이 보통이 다

6) 진공차단기의 서지 업서버(Surge Absober) - 뒤진 소전류 차단시 진공차단기는 고진공중에서 아크를 차단하고 진공이 가지고 있는 높 은 절연내력과 아크의 고속 확산 작용에 의해 우수한 차단성능을 갖고 있지만 반면에 무부하의 모타, 변압기를 개폐하는 경우 전류가 영점에 도달하기 이전에 차단하여 끝납니다. 소위 再斷전류가 발생하여 이 전 류와 서지 임피던스의 곱에 비례하는 개폐 서지 전압을 발생하는 경우 가 있다. 이 때문에 6KV회전기 등을 진공차단기로 직접 개폐할 때는 서지 업서버를 회로에 접속하여 서지 전압을 억제하여 기기를 보호한 다. 서지업서버는 콘덴서를 표준으로 하지만 부하의 충격파 내전압치 에 의해 비직선 저항(ZNR)을 사용한다.

7) 콘덴서의 용량 : 0.1㎌로서 유입콘덴서 사용(전압은 회로 전압), 지락 계전기는 방향성의 것을 사용, 지락방향검출을 위한 영상전압 검출은 콘덴서 접지에 의할 것

8) 비직선저항(ZNR)은 부하의 충격파 내전압이 하기 이상의 경우에 사용

3KV 회로 부하 ..... 15KV

6KV 회로 부하 ...... 30KV

9) 서지 흡수기(Surge Absorbor) : ZNR

1. 특성 및 적용 : LA와 동일(구조 동일)

2. 목적 : 구내 선로내 이상전압을 방지(옥내 피뢰기).

선로에서 발생할 수 있는 개폐 서지, 순간과도 전압 등의 이 상전압이 2차기기에 악영향을 주는 것을 막기 위함.

3. 보호대상 : 건식 변압기

몰드 변압기

※ 몰드 변압기의 BIL이 유입 변압기보다 낮다.

4. 설치 : 차단기 후단에

10) 비직선형 직렬저항( NON-LINEAR SERVICE RESISTOR)

비직선 전압, 전류특성 - 큰 방전전류 - 저저항 피뢰기 단자간에 전압저하 상용주파전압에 고저항 - 전류제한

※ 이런 요소로 만든 피뢰기를 비직선 저항형 피뢰기라 한다. (NON-LINEAR RESISTOR TYPE ARRESTER)

11) JEC : 일본 전기규격조사회 표준규격

12) JEM : 일본 전기공업회표준

13) GIS : Gas Insulated Switchgear - 가스절연개폐장치 또는 변전소 화 Compact화 , 자동화.

14) 트립프리(Trip Free) 및 펌핑(anti - Pumping)방지(반복 동작방지)

차단기 투입 동작 중에도 투입동작과 무관계하게 자유롭게 개방시키는 기능, 기계적 조작기구, 전기적 내부회로에 의해 실현.

㉮ 1회 투입지령에 대하여 한번만 투입동작을 한다.

㉯ 투입동작이 완료하면 스스로 투입회로를 개로 한다.

㉰ 투입 동작 중에 차단명령이 들어오면 차단동작이 우선된다.

(CB 점검시 투입, 트립 회로를 병렬로 연결한 후 전원인가 투입 불시 양호)

15) 트립프리 방식

1) 기계적인 트립 프리 : 차단기의 조작기구는 기계적으로 트립 프리 방식 채용 투입동작을 하고 있는 도중에 차단기를 트립 시킬 수 있는 기구를 가지고 있는 것, 투입동작기구가 부세되어 예를 들면 전자조작 브란쟈가 투입측에 흡인되어도 개방기구가 부세되면 가동접촉자에의 운동을 전하는 연결기구의 접속을 제거하여 개로 한다. 현재는 대부분 기계적으로 떨어져 투입동작이 되지 않게 설계

2) 전기적인 트립 프리 : 투입회로를 전기적으로 Lock(제어 방식- 펌 핑 방지회로)

전기적인 조작회로에 의하여 트립 프리로 하는 것으로 트립 코일이 여 자됨과 동시에 투입 코일의 전류를 차단한다. 투입신호와 트립신호가 동시에 주어져도 차단기는 OPEN 상태를 유지하는 동작을 하게 된다 (Pumping 방지회로) 제어 개폐기로 투입 조작 중에 트립 프리 기구 가 부세되면 투입조작회로의 전원회로를 끊어 차단동작을 행하는 것

※ 한전 설계기준 : 차단기의 조작에 있어서 트립 프리라 함은 적어도 접촉자의 접촉 또는 접촉자간 아크에 의해 주회로가 통전상태로 되거 나 다시 말해 투입 지령중 일지라도 트립 장치의 동작에 따라 그 차단 기를 트립 할 수 있고 또 트립 완료 후에 투입장치에 투입지령이 계속 부여된 상태라도 재투입 동작을 행하지 않고 일단 투입지령을 해제 후 재투입 지령을 부여했을 때 비로소 투입동작이 행하여지는 것. 이는 투입시 회로에 사고가 있는 경우 급속히 차단하는데 필요한 방식

16) 차단기의 동작책무(動作責務) DUTY CYCLE

차단기가 대전류를 차단하는 경우 접촉자 주위에 이온 등 도전성 가 스가 잔존하고 있어 다음 재투입 후 재 차단을 보증할 수 없기 때문에 차단기의 사용상태에 따라 C, O 및 CO (투입 즉시 차단)를 어떤 시 간 간격으로 행하는 일련의 동작. O - t - CO - t` - CO

※ 표준 동작 책무 : 갑호, 을호, 병호 3종류, 갑호, 을호는 현재 A,B 와 같은 책무, 병호(O-2분-CO)는 50MVA미만의 소용량 차단기를 대상으로 한 것으로 현재는 폐지되어 있다

※ A : O - 1분 - CO - 3분 - CO 및 B : CO - 15초 - CO

차단기의 동작책무

O : 차단동작

CO : 투입동작에 이어 지체 없이 차단동작을 하는 것

17) 차단 ㆍ투입 : 전기현상을 기술할 때 사용

18) 트립ㆍ폐로 ㆍ개로 : 단순히 동작을 표현하는 경우에 사용

차단기의 종류

차단기는 구조 또는 동작원리에 따라 여러 가지 형태로 분류할 수 있 으나 여기에서는 소호매체 및 소호방법에 의하여 다음과 같이 분류한 다.

1.  유입차단기(Oil Circuit Breaker, OCB)

차단기의 접촉자가 절연유 소호실에 있는 것으로 차단기 개폐에 의 한 아크발생시 소전류 영역에서는 피스톤에 의해 기름을 분사시켜 소 호 시키고, 대전류 영역에서는 아크에 의해 절연유가 분해 되어 화학 작용을 일으켜 소호실내에 높은 압력을 만들고 아크에 강력한 가스를 뿜어서 소호시킨다.

유입차단기는 다른 종류의 차단기에 비해 차단성능, 보수점검 면에서 불리하나 가격이 저렴하고 넓은 전압범위에서 적용이 가능하여 소ㆍ 중용량 차단기로서 널리 사용되었다. 그러나 소호매질로 기름을 사용 하므로 화재의 위험과 중량이 무거운 단점이 있어 최근에는 점차 사 용이 줄고 있다.

2. 진공차단기(Vacum Circuit Breaker, VCB)

진공밸브 내에 차단기의 접촉자가 있어 진공상태의 높은 절연내력과 전하입자의 확산에 의해 아크를 소호하는 구조로 진공용기 내에서 전 류의 개폐, 차단이 이루어지도록 한 것이다. 접촉자가 외기로부터 격 리되어 있어 아크에 의한 화재발생 염려가 없고 차단기의 구조가 간 단하여 소형, 경량으로 제작할 수 있어 보수점검이 용이한 장점을 가 지고 있으나 개폐시 높은 서지전압을 발생시키므로 건식, 몰드변압기 에 사용시에는 서지흡수장치를 설치하여야 한다.

(가) 특고압 진공차단기

1) 개요

진공차단기는 진공중의 우수한 소호성과 절연특성을 고도로 이용한 24 kv 급 진공차단기로 전류를 진공중에서 아크의 고속 확산 작용 에 의해 차단하므로 소형, 경량이면서 다음과 같은 특징이 있다.

① 차단성능이 우수한 진공 인터럽터를 사용하여 각종 사고차단 및 유도성회로 등의 재기전압이 가혹한 개폐에 무리 없이 사용할 수 있다.

② 아크의 방출 및 잡음이 없으며, 폭발, 화재 등으로부터 위험이 없다.

③ 소형, 경량으로 설치면적이 절약되며 차단부가 진공밸브에 내장 되어 있으므로 보수점검 항목이 적으며 간단한 점검만으로 최상의 상태유지가 가능하다.

④ 아크의 고속 확산 작용에 의해 아크시간이 짧고 절연회복이

우수하므로 접촉자의 소모가 적어 수명이 길며 소음이 적다.

⑤ 전동스프링 조작방식을 채용하여 항시 일정한 투입 및 트립

특성을 유지한다.

⑥ 주회로는 자동 연결식으로 되어 있고 인출핸들에 의해 수동

인입, 인출이 이루어지고 인터록장치가 내장되어 있어 안전한 인출 조작이 보장된다. 

(3) 공기차단기(Air Blast Circuit Breaker, ABCB)

접촉자가 개방할 때 외부에 설치된 압축공기 발생장치에서 10~30 kg/㎠.g 의 강력한 압축공기를 불어 아크를 소호하는 구조이다.

유입차단기에 비해 화재위험성이 적고 차단능력이 뛰어나며 보수점검 도 용이하나 별도의 압축공기 발생장치(콤퓨레샤)가 필요한 단점이 있다. 전류의 크기에 의해 소호능력이 변하지 않으므로 대용량의 차 단기로서 널리 쓰이며 전기로 등 개폐빈도가 심한 장소에 적합하다.

(4) 기중차단기(Air Circuit Breaker, ACB)

자연공기 중에서 접촉자가 개방하는 것으로 공기 중에서 자연 소호 하는 구조이다. 공기 중에서 소호하므로 높은 전압에서는 절연내력이 떨어져 사용할 수 없으므로 주로 교류 저압이나 직류차단기로 많이 사용된다.

(5) 자기차단기(Magnetic Blast Circuit Breaker, MBCB)

자기차단기는 아크와 직각으로 자계를 주어 플레밍의 왼손법칙에 의 한 전자력이 소호실안으로 아크를 밀어 넣고 아크전압을 증대시키며 아크전류를 냉각시켜 소호작용을 하도록 한 것이다. 특히 소전류 영 역에서는 아크에 의한 자계가 약하여 소호능력이 저하되므로 별도 에 어부스타에 의해 압축공기를 만들어 이것을 뿜어서 소호시킨다.

3.3KV ~ 6.6KV 정도의 낮은 전압에서 많이 사용되고 있으며 지하 철 직류계통에서 사용되고 있는 고속도차단기도 이러한 원리를 이용 한 것이다. 자기차단기는 화재의 염려가 없고 보수가 간단하나 고전 압에서 소호능력이 떨어지므로 적당하지 않다.

(6) 가스차단기(Gas Circuit Breaker, GCB)

도시철도에서는 정격전압 AC 24KV, 정격전류 1250A, 정격차 단용량 520MVA의 가스차단기를 채택하여 수전용 차단기로 쓰고 있 다. 또한 정류기용 변압기의 차단기와, 고배용 변압기의 차단기에는 정격전류 630A의 차단기를 쓴다. 가스차단기는 물리적, 화학적, 전 기적 특성이 우수하여 절연내력과 소호능력이 뛰어난 불활성 가스인 SF6(6불소화 유황)의 압축가스를 사용한 것이다. 차단시에 12 ~ 15 kg/㎠.g 의 높은 가스탱크에서 약 2 kg/㎠.g 의 낮은 가스계통으 로 가스를 뿜어서 소호하는 2중 가스압식과 차단할 때만 피스톤 작 용으로 가스압을 상승시키는 단일 가스압식의 2종류가 있다. 가스차 단기는 차단성능이 뛰어나고 절연회복이 빨라 대전류의 차단에 적합 하다. 차단시 소음이 적고 소전류 차단에도 안정된 차단이 가능하다. 최근에는 유입차단기, 공기차단기를 물리치고 급속히 많은 곳에서 사 용되고 있으나 가격이 고가이다.

(가) 주요 특성

1) 아크 소호실 내에서의 짧은 아크 지속시간과 신속한 절연 회복

2) 열악한 주위 조건에서의 최대한의 조작 안정성 및 신뢰성 보장

3) 지상 소전류 및 진상 전류 차단 능력의 탁월성

4) 고속의 투입-개방 조작이 가능하며 동기 투입 및 신속한 재폐로 기능 그리고 탁월한 개폐 수명을 갖는 높은 신뢰성의 조작기구

5) 아크에너지를 작게 유도하여 차단하는 방식이므로 접점 및 아크 소호실의 손상이 극히 한정되므로 장기간의 전기적 수명 보장

6) 주위온도 : -5℃ ∼ +40℃ 범위

7) Sealed pressure type으로 운전중 gas 재충진 불필요(가스 누 설에 대하여 최소 30년 보증)

8) 최소한의 유지보수 작업으로 많은 횟수의 조작이 가능

9) 견고하며 경량의 최적 설계 구조

GAS차단기의 비교

 차단기 구조

차단기 조작기구

※ 조작기구의 주요 구성품

① : 전동감속기에 의한 투입스프링 축세용 레버

② : 스프링 축세 - 비축세 상태 표시기

⑤ : 투입 조작에 필요한 에너지를 축적시키기 위한 투입스프링

⑩ : 스프링 축세용 레버의 연결부

⑧ ⑪ : 해당조작을 시행하는 투입레버(⑧) 및 개방레버(⑪)

⑫ : 투입스프링의 수동축세용 레버

⑬ : 차단기 개방 - 투입표시기

차단기의 동작 순서

※ 개방 동작의 경우에는 주 접점을 먼저 OPEN시킴으로써 아크가 아크접점 사이에서발호 되도록 한다.

※ 투입 동작의 경우에는 아크 접점들 사이에서 먼저 접촉이 일어난 후 주 접점들의 완전한 접촉이 이루어지도록 한다.

(나) 자동부하 전환개폐기

[ALTS(Automatic Load Transfer Switch)]

사령실의 한전 Line 수전반에 유일하게 설치되어 있는 ALTS (Automatic Load Transfer Switch)는 1호 Line과 2호 Line을  구분하고, 1호Line 이상시 2호 Line으로 수전할 수 있도록 되어있 다.

1) 개폐기 본체

① 소호 능력과 차단성능이 뛰어난 SF6 가스를 소호 매질로 사용 하였으며, 내ㆍ외력에 충분히 견딜 수 있도록 스테인레스 강판 으로 제작되어 있으며 EPOXY TAR 피막을 입혀 완전 방청되 도록 하였다.

② PUFFER 소호 방식으로 정격전류 이하의 전부하 전류를 안전 하게 차단한다.

③ 개폐조작은 상시에너지를 저장하였다가 순간적으로 작동하는 스 프링 축세 방식이며, 1회 축세에 의해 개폐동작이 가능하도록 되어있다.  

④ 수동 조작시 조작자의 안전을 위해 접속재 전면이 보호커버로 보호 되어 있다.

2) 제어함

① 제어함은 본체와 분리 설치 가능한 구조로 되어 있다.

② 본체와의 연결은 제어케이블로 하며 리셉타클(Receptacle) 구조.

3) 수동조작 방법

조작을 행하기 전에 우선 개폐기가 다음과 같은 상태에 있는가를 반드시 확인한다.

※ 개폐기가 안정되게 설치되어 있는지를 확인.

※ 본체부와 제어부의 케이블 연결 상태를 확인.

※ 본체부, 접속재, 제어박스의 접지 상태를 확인.

※ 제어케이블의 외부전원(AC 220V) 연결 상태를 확인

① 수동 조작시는 제어용 전원을 OFF 위치로 한다.

② 개폐기 조작 기구부 안전 덮개 열쇠를 제거.

③ 안전 덮개를 우측으로 연다.

④ 수동 조작 핸들을 조작봉 삽입구에 넣고 내부 랫치가 걸릴 때 까지 오른쪽에서 왼쪽으로 당기면 축세가 되며, 1회 축세로 투 입과 개방이 되는 구조이다.

⑤ 수동 조작 핸들을 제거.

⑥ 닫힘 버튼을 누르면 투입되고 열림 버튼을 누르면 개방된다.

⑦ 축세 대기 상태에서 바로 열립버튼을 누르면 투입되지 않고 축세가 해제되면서 바로 개방된다.

⑧ 전원1과 전원2는 상호 인터록에 의한 연동조작을 하므로 동시 투입은 불가능한 구조이다.

⑨ 시운전 및 점검시 수동조작이 완료되면 제어부 전원을 ON위치 로 한 후 주전원을 투입시키고 커버를 닫고 열쇠로

PAD LOCKING 한다.

전원 구성 회로도

정류기용 변압기

실리콘 정류기 또는 사이리스터를 사용해서 교류를 직류로 변환할 때 변압기를 사용하여 교류회로ㆍ직류회로를 절연하고, 전압을 바꾸어, 상변환을 한다. 필요하다면 전원의 중성점을 만드는 것이 합리적이다. 이 목적에 사용되는 변압기를 정류기용 변압기라 한다.

변압기는 일반적으로 전원 전압이 교류인 이상 1차 전류는 교류가 아니면 안되지만(교류조건이라 한다) 정류기용 변압기의 2차권선(직류권선이라 한다)은 직류를 공급하므로 변압기 철심 내에서 1ㆍ2차 전류에 따른 기자력을 상쇄시키기 위해서는 1차권선(교류권선)에 대해 기자력의 방향이 서로 역으로 되는 우수의 평형된 직류권선을 설치할 필요가 있다.

이 조건을 만족시키지 않은 정류회로(단상반파, 3상반파 정류회로 등)의 정류기용 변압기에서는 반드시 직류편자를 받아 여자전류가 늘고 소음이 크게 되므로 대용량 장치에는 적합치 않다. 평형인 각종 정류회로에서도 사이리스터 제어각의 오차로 인해 마찬가지의 직류편자가 일어나므로 교려해야 하겠지만 실제의 영향은 그다지 크지 않다. 정류기용 변압기의 직류권선은 전기로용 변압기의 저압측과 똑같이 저압ㆍ대전류로 되는 수가 많아 결선이 복잡하므로 접속선이 차지하는 비율이 크다.

또 결선에 따라서는 교류권선과 직류권선에 흐르는 전류의 실효값이 다르기 때문에 직류권선의 용량이 교류권선의 그것보다 커지게 되는 것이 있는 것도 이 변압기의 특징이다. 반도체 변환장치에서는 특수한 사용 방법으로 하는 것이 많으므로 반도체 정류장치 및 사이리스터 변환 장치에서는 표 2-7 과 같은 과부하를 포함하는 7가지의 사용법을 정격으로 규정하고 있다.

7가지의 사용법

정류기용 변압기 각부 명칭

1. 용어의 정의

(1) 사용

변압기의 예정된 운전 방법을 사용이라 하며 연속사용, 단시간사용, 단시간 연속사용. 단속사용 등이 있다.

일반적인 배전용 변압기는 연속사용에 해당된다.

(2) 정격

변압기를 사용할 때 보증된 보증한도를 정격이라 하며 사용상 필요한 기본적인 항목, 즉 상수, 용량, 전압, 전류, 주파수 및 역률에 대해 설 정된다. 변압기에 예정된 운전방법, 즉 사용에는 여러 가지 방법이 있 지만 정격에는 다음 3종류가 있다.

(가) 연속정격 : 연속 사용의 변압기에 적용.

(나) 단시간정격 : 단시간 사용의 변압기에 적용.

(다) 연속여자 단시간정격 : 단시간 부하 연속사용의 변압기에 적용.

기타 사용 변압기에는 그 사용 방법에서의 변압기의 발열 및 냉 각 상태에 가장 가까운 온도 변화에 상당하는 연속 정격 또는 단시간 정격을 적용하게 된다. 또 정격의 종류를 특히 지정하지 않을 때는 연속 정격으로 제작된다.

(3) 정격 용량

정격 2차전압. 정격주파수 및 정격역율에서 지정된 온도 상승의 한 도를 초과하지 않고 2차 단자간에 얻을 수 있는 피상전력을 말하고

KVA 또는 MVA로 표시한다. 이때, 변압기 1차측에 인가하는 전압은 변압기 내부 임피던스 강하분 만큼 상당하는 1차 전압 보다 높아야 하고 변압기는 이 상태에서 지정된 온도 상승의 한도를 넘어서는 안된 다.

(4) 정격전압 및 정격전류

어느 것이나 권선마다 지정하고 실효값으로 표시된 사용 한도 전압. 전류를 말한다. 3상 변압기 등 다상 변압기인 경우, 정격전압은 선로 단자간의 전압을 사용한다. 미리 성형 결선으로 하여 3상으로 사용할 단상 변압기의 경우는 성형 결선시 선간 전압 /√3 으로 표시한다.  

(5) 정격 주파수 및 정격 역율

변압기가 그 값으로 사용할 수 있도록 제작된 주파수ㆍ역율값을 말하며, 특히 정격 역율은 지정이 없으면 100%로 간주한다.  정격 부하를 갖기 위해서는 전압 변동율은 유도 부하의 경우, 역율이  나빠지는데 따라 커지므로 정격 역율이 작을 때 변압기는 그 분량만큼  과여자에 견딜 수 있어야 한다. 또한 정격 역율이 낮으면 효율도 나빠 진다.

(6) 임피던스 전압 및 전압 변동률

변압기에 정격전류를 흘렸을 때 권선의 임피던스(교류저항 및 누설 리액턴스)에 의한 전압 강하를 임피던스 전압이라 하며 지정된 기준 권서 온도로 보정하고, 그 권선의 정격전압에 대한 백분율로 표시한 다.

수식으로 표현하면 다음과 같다.

%IZ = Vn / Is × 100(%)

%IZ: %임피던스

Vn은 정격전압

ls는 단락전류

이때 그 저항분 및 리액턴스 분을 각각 저항 전압, 리액턴스 전압이 라 한다. 임피던스 전압이 너무 크면 전압변동률이 커지고 또 너무 작으면 변압기 부하측 회로의 단락전류가 과대해지고 변압기는 물론 직렬 기기, 차단기 등에도 영향을 끼치므로 높은 쪽의 권선 전압에 의 해 정해지는 표준값(KS 규격)을 기준으로 한다. 변압기를 전부하에서 무부하로 하면 2차 전압은 상승한다. 이 전압 변동의 정격 2차 전압 에 대한 비를 백분율로 표시한 것을 전압 변동률이라 한다. 전압 변동 률은 그림1과 같이 저항전압, 리액턴스 전압 및 정격 역률의 함수로 서, 2권선 변압기의 경우, 아래와 같다.

임피던스 전압과 전압 변동율

(7) 무부하손 및 부하손

하나의 권선에 정격 주파수의 정격 전압을 가하고 다른 권선을 모두 개로하였을 때의 손실을 무부하손이라 한다. 그 대부분은 철심 중의 히스테리시스손과 와전류손이다. 변압기 하나의 권선에 정격 주파수의 정격 전류를 가하고 다른 권선을 모두 폐로 하였을 때 발생하는 손실 을 부하손이라 하며 권선중의 저항손 및 와전류손 및 구조물, 외함에 발생하는 표유부하손 등으로 구성된다.

(8) 효 율

변압기의 유효 출력과 (유효 출력 + 전손실)의 비이며 백분율로 표시한다. 그리고, 이 정의에 의한 효율을 규약 효율이라 한다.

효율n(%) =  출력 / 출력 + 손실 × 100(%)

(9) 무부하전류

하나의 권선에 정격 주파수의 정격 전압을 가하고 다른 권선을 모두 개방하였을 때 선로 전류의 실효값을 그 권선의 정격 전류에 대한 백 분율로 표시한 것을 여자전류 또는 무부하 전류라고 한다.

2. 단자기호와 벡터도

변압기를 운전할 때 등, 변압기 각 권선의 유기 전압 방향과 내부 접 속방법을 알아야 한다. 이것 때문에 변압기 각 단자에는 일정한 방법 으로 기호를 붙여 단자 가까이에 표시하거나 결선도와 함께 명판에 기 재한다.

(1) 단자선 기호

변압기 단자선 기호

(2) 벡터도

3상 2권선 변압기의 결선과 각 변위(양 권선의 중성점에 대한 유기 전압 벡터의 각도차)를 동시에 표시하기 위해서는 벡터도 또는 벡터군 기호를 사용하는 것이 편리하며 대표적인 것은 아래의 표와 같다.

3권선 변압기의 경우, 벡터군 기호는 예컨대(Yy0D1)처럼 표시한다. 또 동일한 결선에서도 각 변위가 다른 것이 몇 가지 있지만 표의 것을 우선한다.

벡터군 기호와 벡터도

(3) 온도 상승의 한도

전기 기기의 정격 용량은 대부분이 그 기기에 사용되는 절연물에 허 용되는 최고 온도로 결정한다. 변압기의 온도 상승 한도는 이 허용 최 고 온도와 그 규격이 주로 적용되는 장소의 등가 주위 온도(냉매 온 도)를 기초로 변압기가 정격 용량으로 연속 운전된 경우, 15~30년 정도의 수명을 기대할 수 있는 것을 전제로 정한다.

온도 상승 한도의 비교

절연물의 허용최고 온도

3. 변압기의 등가회로와 벡터도

2권선 변압기에서 1차, 2차간 여러 데이터에는 여자전류를 무시하면 다음 표와 같은 관계가 있다. 따라서 변압기 2차측에 접속된 모든 임 피던스의 합계 Z2에 a2을 곱한 1차 환산 임피던스 Z2'가 변압기 1차측 에 접속되었다고 생각하면 회로 계산이 쉬워진다. 변압기의 여자 임피 던스는 70°~ 85°의 유도성 뒤진 임피던스며 변압기의 1차 단자에 병렬로 들어있다고 보아도 되므로 변압기의 1차측으로 본 등가회로는 다음 그림(a)처럼, 또 여자전류를 무시하면 다음 그림(b)처럼 그릴 수 있다.

권수 및 전압, 전류 관계

2권선 변압기의 등가회로

4. 몰드 변압기

몰드 변압기(Cast Resin Transformer 또는 Resin Encapsulated Transformer)는 권선을 내열, 전기 절연성에 우수한 에폭시 등으로 덮은 건식 변압기의 통칭으로, 제법은 권선을 금형에 넣어 수지 주형 하는 주형법(注形法)과 미리 권선 주위에 클래스 클로스 등을 감아서 수지를 함침하는 함침법(含浸法)의 2종류로 대별된다. 몰드 변압기에 는 다음 표와 같이 여러 가지 우수한 특징이 있으므로 빌딩, 지하철도 등 특히 화재가 우려되는 장소의 전원 변압기에 많이 이용된다. 그러 나 사용되고 있는 수지는 통상 전압을 가한 상태에서 자외선에 대하여 수명을 보증할 수 없으므로 옥외에서 사용할 때에는 적당한 큐비클 등 을 사용하여야 한다. 절연의 종류에 에폭시 수지를 사용한 것은 B 또 는 F종이 보통인데 특수한 수지로서 H종도 제작되고 있다. 단자 인출 부의 절연은 기중 연면(沿面)이고 또한 방열 등의 문제로 고·저압 권 선 사이에 기중부분이 존재하기 때문에 제작 범위는 공칭전압 33KV 정도까지 생각할 수 있다.

몰드 변압기의 특징

5. 건식 변압기

유입 변압기에 대해 전기 절연유(실리콘유 등 합성유를 포함)를 사용 하지 않는 변압기를 건식 변압기라 하며 빌딩이나 특히 화재의 위험성 이 있는 장소에 전원 변압기로서 사용된다. 사용되는 절연물의 종류에 따라 각종 건식 변압기가 있는데 전항의 몰드 변압기를 제외하면 주류 를 이루고 있다. 제작 범위는 33KV이하, 거의 10MVA까지로서 1MVA 이상은 풍냉식이 많다. 사용되는 절연 종별과 허용 최고온도는 아래와 같다.

각종 절연의 정의(KSC 4004 전기기기 절연의 종류)

6. 기타

방폭형 변압기, 정류기용 변압기, 전기로용 변압기, 시험용 변압기, 접지변압기, 이동용변압기, 모터사용 변압기(전원변압기, 시동용변압 기), 혼촉방지판 붙임 변압기, 상변환 변압기, 선박용 변압기, 전기철 도용 변압기 등.

7. 변압기 비교표

변압기 점검표

8. 몰드 변압기 사용

(1) 사용 환경 조건

몰드 변압기는 아래와 같은 조건에서 그 성능과 특성을 보증.

(가) 설치 장소 : 옥내(지하 및 지상)

(나) 설치 높이 : 표고 1000m 이하

(다) 주위 온도 : -20℃~+40℃ (일간평균온도 : 30℃, 년간평균온도 : 20℃)

(라) 상대 습도 : 95% 이하

(2) 일반 특성

(가) 절연 종류 : F종

(나) 권선온도 상승한도 : 최대 100℃

(다) 절연사용 허용온도 : 최대 155℃

(라) 냉각 방식 : 건식자냉 (AN)

(마) 사용 정격 : 연속정격

(바) 연소성 : 난연성

(사) 정격주파수 : 60㎐

(3) 무전압 탭 절환

(가) 전원을 차단.

(나) 방전 확인.

(다) 탭 연결단자를 풀고 연결하고자 하는 번호로 연결.

(라) 2차 전압 V2 = N2 / N1 V1 에서 2차 전압은 1차 권수에 반비례하 게 된다. 따라서 2차 전압을 높이는 경우는 1차 탭 전압이 낮은 쪽 으로 연결 하고 2차 전압을 낮추는 경우는 1차 탭 전압을 높은 쪽으 로 연결한다. 1차 탭 전압의 크기는 XYZ(1)-XYZ(2)-XYZ(3)-XYZ(4) - XYZ(5)의 순서이다. 출하시는 정격탭(2 또는 3)으로  설정되어 있고 단, 2차측 전압은 부하의 입력전압이 아니고 변압기의 출력전압이 기준이다.

(4) 변압기와 외함(Cubicle)간의 이격거리 (고압측 기준)

이격거리

(5) 절연저항 측정

절연저항이 기준치 이하일 경우 사고의 위험이 있다. 이때는 청소와 환기를 시켜 습기를 제거한 후 다시 측정하고 그래도 절연 저항값이 부족한 경우는 제조사에 연락한다.

(6) 운전 및 점검

(가) 일상 점검

1) 전압, 전류, 주파수 등을 점검하여 기록한다.

2) 이상소음, 냄새, 과열여부, 취부된 부속품(온도계 등)의 동작 상태 등을 확인.

(나) 부하 관리

과부하 운전을 자주 하게 되면 절연 파괴의 원인이 되고, 변압 기의 수명을 단축시키므로 명판에 기재된 정격범위 내에서 운전 을 하여야 한다.

(다) 정기 점검

1) 정기 점검은 통상 6개월 또는 1년에 1회 정도 실시하는 것이 표 준이지만 운전상황, 주위조건 등에 따라 달라질 수 있다.

2) 정기점검 준서

① 점검전 변압기의 1,2차를 회로에서 분리한다. (VCB, PF 등을 차단)

② 검전기를 사용하여 1,2차의 분리를 확인하고, 접지봉을 사용하 여 잔류전하를 방전시킨 후 일괄 접지를 시킨다.  

③ 점검 사항

㉮ 청소를 시작하기 전에 먼저 적절한 환기를 시킨다.

㉯ 진공청소기, 송풍기, 압축공기나 질소 등을 이용하여 먼지나 이물질을 제거한다. 특히 권선표면, 애자, 권선의 냉각덕트 부분은 주의를 기울여서 작업해야 한다.

㉰ 각종 연결 부위의 볼트상태 및 조임 상태를 점검한다.

㉱ 절연저항을 점검한다.

(라) 부속 장치

부속 장치로는 다이얼온도계, 디지털온도계 등이 있다.

(7) 병렬 운전

병렬운전의 경우는 다음 사항이 일치하는지 점검하고 병렬운전을 하여야 한다. 병렬운전 조건을 충족하지 않은 상태에서의 병렬운전은 부하 불평형으로 인한 한쪽 변압기의 과부하 및 사고의 위험이있다.

※ 병렬운전 요건

(가) 결선 및 각 변위가 같은 것.

(나) 변압비가 같을 것.

(다) %임피던스 전압의 차이가 평균의 10% 이내일 것.

(라) 정격 용량의 비가 1:3 이하일 것.

정류기용 변압기 시험 및 검사

정류기용 변압기의 시험은 크게 일반시험 및 형식승인시험으로 분류 할 수 있는데 정류기용 변압기의 효율적인 운영 및 유지보수를 위하여 시험방법 및 기기 사용방법, 적용규격, 판정기준 등을 숙지하여야한다.

1. 일반시험

(가) 외관 검사(구조 및 칫수 검사)

※ 시험 방법 : 육안 및 사용기기로 다음 사항을 조사 및 측정하여

판정기준에 적합 여부를 검사한다.

1) 규격 명판 및 단자 표시 상태

2) 외형 치수(베이스 치수 포함)

3) 1차측 / 2차측 결선 상태

4) 1차측 / 2차측 단자의 규격 및 치수

5) 단자의 조립 및 용접상태

6) 권선 및 단자의 절연상태

7) 권선표면 및 내부의 손상여부

8) 권선 및 철심의 청결여부

9) 차륜 및 인양장치 부착여부

11) 클램프 도장색상 확인 및 도장상태

12) 기타 부속품 조립상태

※ 판정 기준 : 최종사양과 일치 여부

※ 사용 기기 : 표준색상 견본, 줄자

(나) 권선저항 측정

※ 시험 방법 : Double Bridge를 사용하여 1차측 권선, 2차측 권선 의 저항을 측정하여 측정단자, 측정치, 측정시 권선 온도를 기록 한다. 상온시 권선저항과 온도상승 시험 직후 권선저항을 측정하 여 권선 온도상승을 산출한다.

※ 판정기준 : 1차측 : 1.246525(Ω), 2차측 : 0.0004387(Ω) (단 주어진 저항값은 설계 기준치 임.)

※ 사용기기 : Double Bridge

권선저항 측정 회로도

(다) 변압비 측정

※ 시험방법 : 전압계를 사용하여 고압측에 220V정도의 전압을 인 가하여 저압측에 유기되는 전압을 측정한다. 전압비 오차율 시험 기(Transformer Turn Ratio Test Set)를 사용하여 표준 탭의 전압비 오차율이 허용 범위에 적합한지 여부를 검사 확인한다.

※ 판정 기준 : ± 1.5%

※ 사용 기기 : 전압비 오차율 시험기  

변압비 측정 회로도

(라) 극성 및 각변위 시험

※ 시험방법 : 단상의 경우 : 전압계법 또는 DC전압계법.

고압측 U와 저압측 u를 접속하고 고압측에 220V 정도의 전압을 인가하여 고압측 V와 저압측 v간의 전압을 측정한다.

① 감극성 : 고압측 인가전압 ＞ 고압측 V, 저압측 v간 전압

② 가극성 : 고압측 인가전압 ＜ 고압측 V, 저압측 v간 전압

※ 3상의 경우 : 각 변위 시험

고압측 U와 저압측 u를 접속하고 고압측에 220V 정도의 전압을 인가하여 다른 고압측 단자와 저압측 단자간의 전압을 측정 기록 하고 이 측정치로 백터(Vector)도를 그려서 확인한다.

※ 전압비 오차율 시험기를 사용하여 전압비 시험을 실시할 때 극성 이 틀리면 측정 시험장치 자체에서 확인되므로 측정치를 기록할 필요가 없을 때는 상기의 단상 및 3상의 경우를 생략할 수 있다.

※ 사용 기기 : 교류전압계 (0-300V) 0.5급), 유도 전압조정기  

※ 회로도 : 3상의 경우 각변위 시험방법의 회로도는 아래의 도면과 동일하고 전압비 오차율 시험방법의 회로도는 (다)항의 변압비 측정 회로도와 동일하다.

극성 및 각 변위 시험

(마) Impedance 및 부하손실 시험

※ 시험 방법 : 저압측 단자를 단락하고 고압측 단자에 정격주파수, 정격전류를 흘려서 그때의 전압(임피던스 전압)과 부하손실을 측 정하여 기록한다. 정격전류를 흘리기 곤란하면 정격전류의 25% 이상의 저감 전류로 측정하여 환산한다.

※ 정격전류 때 손실 = (정격전류/측정전류)2 × 측정손실

※ 정격전류 때 임피던스 전압 = (정격전류/측정전류) × 측정전압

부하손실(W) : 24930W (오차 범위 : ±15% 이내)

※ 사용기기

① 계기용 변류기 ② 계기용 변압기

③교류 전압계 ④ 교류 전류계

⑤ 교류 전력계 ⑥ 주파수계

⑦ 보조 변압기